Что такое шина архитектура эвм

При шинной структуре связей все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям связи, но в разное время (это называется мультиплексированной передачей).

Все устройства микропроцессорной системы объединяются общей системной шиной (она же называется еще системной магистралью или каналом). Системная магистраль включает в себя четыре основные шины нижнего уровня:

• шина адреса (Address Bus);
• шина данных (Data Bus);
• шина управления (Control Bus);
• шина питания (Power Bus).

Видео:Лекция 1 | Архитектура ЭВМ и основы ОС | Кирилл Кринкин | CSC | ЛекториумСкачать

Обмен информацией по шинам [ править ]

Как в шине данных, так и в шине адреса может использоваться положительная логика или отрицательная логика. При положительной логике высокий уровень напряжения соответствует логической единице на соответствующей линии связи, низкий — логическому нулю. При отрицательной логике — наоборот. В большинстве случаев уровни сигналов на шинах — ТТЛ.

Сигналы шины управления также могут передаваться как в положительной логике (реже), так и в отрицательной логике (чаще).

Для снижения общего количества линий связи магистрали часто применяется мультиплексирование шин адреса и данных. То есть одни и те же линии связи используются в разные моменты времени для передачи как адреса, так и данных (в начале цикла — адрес, в конце цикла — данные). Для фиксации этих моментов (стробирования) служат специальные сигналы на шине управления.

Видео:03. Основы устройства компьютера. Память и шина. [Универсальный программист]Скачать

Что такое шина архитектура эвм

Шина ПК — это канал (магистраль), который связывает между собой процессор, ОЗУ, кэш-память, контроллеры устройств ПК, а также разъемы (слоты) расширения на материнской плате для подключения различных контроллеров устройств ввода/вывода. При этом для сохранения совместимости данные слоты должны быть механически и электрически идентичны в разных моделях IBM- совместимых компьютеров.

По шине передаются как данные, так и управляющие сигналы.

Работа шины осуществляется в соответствии с определенными правилами, регламентированными стандартами.

Важнейшие характеристики шин: частоты, разрядности, скорости передачи данных. При этом, как правило, частота измеряется в мегагерцах, разрядность — в битах, скорость — в мегабайтах в секунду или в мегабитах в секунду.

Наиболее распространены три основных стандарта системной шины для IBM- совместимых ПК:

Industry Standard Architecture (ISA);

Extended Industry Standard Architecture (EISA);

Micro Channel Architecture (MCA).

ISA — системная шина ( ISA-bus), которая была специально разработана в 1984 г. под возможности процессоров i80286 для IBM PC/AT286. Для ISA- шины часто используется другое название — AT- шина. Эта шина была предназначена заменить шину ХТ ПК IBM PC/XT и аналогичных IBM- совместимых ПК на основе процессоров i8086, i8088 и их аналогов. Ввиду неперспективности морально устаревшей шины XT ее особенности и возможности рассматривать здесь нецелесообразно. Шина ISA позволяет передавать 16- разрядные данные и команды с частотой 8 МГц, что соответствует скорости 16 Мбайт/с. Значения этих параметров были сравнительно высокими и достаточными не только для того уровня развития компьютерной техники, они и в настоящее время часто удовлетворяют требованиям ПК для решения задач, не требующих высокой производительности и не критичных к времени их выполнения. Данная шина стала стандартом для IBM- совместимых ПК на длительный срок.

Системная шина EISA (EISA-bus) фактически является расширением шины ISA. Частота шины EISA — 8 МГц. Однако эта шина характеризуется большей разрядностью — 32 бита и более высокой скоростью передачи данных — до 33 Мбайт/с. Шина EISA совместима с ISA- шиной: кроме собственно 32- битных плат EISA- контроллеров на EISA- шине могут быть установлены стандартные 16- битные платы ISA. В настоящее время шина EISA в основном используется в некоторых вариантах файл-серверов компьютерных сетей.

MCA — системная шина с высокой скоростью передачи данных — до 160 Мбайт/с и разрядностью шины данных от 16 до 64 бит. Разработка и исключительное право на ее использование принадлежит фирме IBM. Вероятно поэтому, для ПК, использующих MCA, рынок предлагает сравнительно мало периферийных устройств и по относительно высоким ценам. Вследствие этого популярность данной шины сравнительно низка и производство компьютеров с шиной МСА практически прекращено.

Развитие вычислительной техники и расширение области применения ПК сопровождаются увеличением потоков информации и скорости передачи данных между процессором, внутренней и внешней памятью, устройствами ввода/вывода и т. д. Однако данное увеличение сдерживается ограниченной пропускной способностью указанных системных шин. Все это требует новых архитектурных решений, обеспечивающих повышение производительности ПК.

Одним из таких решений явилось введение в состав архитектуры ПК отдельной шины для данных, поступающих для увеличения скорости их передачи в обход системной шины ( ISA, MCA, EISA), например, для связи процессор-память так называемой локальной шины — Local Bus (LB). Локальная шина быстрее, чем шины ISA, EISA, потому что данные по ней передаются с внешней тактовой частотой используемого в составе ПК процессора. Например, 33 МГц в случае Intel 486DX2-66, тогда как стандартная шина ISA работает при тактовой частоте 8 МГц.

Стандарт локальной шины VESA (VESA local bus) был разработан и введен в 1992 г. фирмами-производителями компьютерной техники, входящими в ассоциацию VESA (Video Electronics Standart). При разработке нового стандарта одновременно решались две задачи. Первая — повышение производительности компьютеров за счет увеличения пропускной способности системных шин. Вторая — сохранение преемственности в использовании стандартного оборудования. В результате была создана 32- разрядная локальная шина — VESA local bus (VLB), дополняющая стандартную системную шину ISA при обмене данными процессора с контроллерами монитора, жесткого диска, кэш-памяти, сети и т. д. В соответствии со стандартом максимальное число контроллеров, подключаемых к данной локальной шине, было установлено в количестве не более трех. Тактовая частота VLB соответствовала частоте процессора. При внешней частоте процессора, равной 33 МГц, шина VLB обеспечивала скорость передачи данных до 132 Мбайт/с.

К основным недостаткам шины VLB следует отнести следующие: несовместимость и слабую нагрузочную способность VLB. Действительно, поскольку быстродействие VLB связано с тактовой частотой процессора, контроллеры, подключаемые к шине VLB, должны были обеспечивать работу на этой частоте. На других ПК частота могла отличаться. Слабая нагрузочная способность VLB в основном была связана с тем, что данная шина фактически являлась продолжением контактов собственной шины процессора ПК, что и отражено на приведенном рисунке. Кстати, этим объясняется совпадение частоты шины VLB и внешней тактовой частоты процессора. Каждое подключаемое устройство является дополнительной нагрузкой и искажает форму передаваемых процессором сигналов (их фронтов). Именно поэтому число подключаемых к локальной шине VLB устройств ограничено: стандарт VLB предусматривает подключение к данной шине не более трех устройств, обычно это одно или два устройства. Как правило, это контроллеры монитора и жестких дисков.

Альтернативный вариант локальной шины был разработан фирмой Intel — шина PCI (Peripheral Component Interconnect). Эта шина образует 32- битный канал между процессором и контроллерами периферийных устройств. Для PCI частота ограничена 33 МГц, что позволяет передавать данные по шине, как и в случае использования шины VESA, со скоростью до 132 Мбайт/с. Таким образом, шина PCI имеет практически такие же скоростные свойства, что и шина VLB при частоте процессора равной 33 МГц. Однако число контроллеров не ограничивается тремя, как для VLB, а может достигать десяти. Стандарт шины PCI поддерживает спецификации VESA для BIOS и видеоадаптеров. Кроме того, локальная шина PCI оптимально соответствует 64- битной технологии современных процессоров.

Стандарт PCI предусматривает конфигурирование устройств, подключаемых к компьютеру, программным способом, что соответствует концепции plug-and-play ( включил и работай). При этом в момент обнаружения нового устройства персональный компьютер без перезагрузки и выхода из текущего приложения должен установить параметры, необходимые для работы устройств в составе системы: номера прерываний IRQ, номера каналов прямого доступа DMA и т. д. Для реализации этой возможности необходимо, чтобы аппаратно-программное обеспечение ПК ( BIOS и ОС) поддерживало plug-and-play. К операционным системам, поддерживающим ряд спецификаций технологии plug-and-play, относятся, например, Windows 95, Windows 98 и OS/2 Warp.

Шина PCI архитектурно сложнее. Однако фирма Intel выпустила ряд специализированных микросхем для шины PCI, упростив тем самым ее реализацию. Это позволило шине PCI полностью вытеснить шину VLB из архитектуры ПК.

Архитектура современных ПК, ориентированная на использование в своем составе локальных шин, способствует повышению общей производительности компьютеров. В результате системные и прикладные программы выполняются значительно быстрее.

Традиционно шина VLB в основном использовалась в ПК с процессорами 486, в то время как PCI — в ПК, начиная с процессоров Pentium. Хотя имелись варианты PCI и для 486 компьютеров. Кстати, следует отметить, что для 486 ПК в некоторых случаях использование VLB могло быть даже предпочтительнее шины PCI. Действительно, для PCI, как это уже отмечалось, стандарт устанавливает тактовую частоту равной 33 МГц, а для VLB — равенство частоты шины с внешней тактовой частотой процессора. Поэтому при использовании процессоров с внешней тактовой частотой 40 МГц, например, Am486DX/40, Am486DX2/80, Am486DX4/120, ПК с VLB обладали некоторыми преимуществами. Так, контроллеры устройств, подключенные к VLB процессора с внешней частотой в 40 МГц, — видеоадаптеры, жесткие диски, сетевые карты и т. д., — обеспечивали повышенную скорость работы по сравнению с использованием PCI или VLB с процессором с внешней частотой 33 МГц. Это связано с тем, что работа контроллеров и обмен данными осуществляются в соответствии с частотой используемой локальной шины.

Кстати, необходимо отметить, что в современных материнских платах частота шины PCI задается через частоту шины процессора.

Конфигурации ПК с несколькими шинами, например с ISA и PCI, позволили сочетать высокую производительность компьютеров с аппаратной и программной совместимостью широкого спектра контроллеров и узлов ПК, обладающих разными скоростными и электрическими характеристиками.

В настоящее время локальные шины уже не выделяют в отдельный вид. Эти шины считают такими же системными шинами, как и традиционные ISA.

Видео:Как работает компьютер? Шины адреса, управления и данных. Дешифрация. Взгляд изнутри!Скачать

Шина (компьютер)

• Компьютерная ши́на (англ. computer bus) в архитектуре компьютера — подсистема, служащая для передачи данных между функциональными блоками компьютера. В устройстве шины можно различить механический, электрический (физический) и логический (управляющий) уровни.

В отличие от соединения точка-точка, к шине обычно можно подключить несколько устройств по одному набору проводников. Каждая шина определяет свой набор коннекторов (соединений) для физического подключения устройств, карт и кабелей.

Компьютерные шины ранних вычислительных машин представляли собой жгуты (пучки соединительных проводов — сигнальных и питания, для компактности и удобства обслуживания увязанных вместе), реализующие параллельные электрические шины с несколькими подключениями. В современных вычислительных системах данный термин используется для любых физических механизмов, предоставляющих такую же логическую функциональность, как параллельные компьютерные шины.

Современные компьютерные шины используют как параллельные, так и последовательные соединения и могут иметь параллельные (англ. multidrop) и цепные (англ. daisy chain) топологии. В случае USB и некоторых других шин могут также использоваться хабы (концентраторы).

Некоторые виды скоростных шин (Fibre Channel, InfiniBand, скоростной Ethernet, SDH) для передачи сигналов используют не электрические соединения, а оптические.

Присоединители к шине, разнообразные разъёмы, как правило, унифицированы и позволяют подключить различные устройства к шине.

Видео:Трехшинная архитектура ЭВМСкачать

Что такое шина архитектура эвм

Информационные и коммуникационные технологи (ИКТ):

Технические средства обработки информации — средства вычислительной техники

Технические средства передачи информации — коммуникационные технические

б) Программное обеспечение

«Машина» — техническое устройство, облегчающее трудовую деятельность человека.

Видео:Базовая архитектура и структура ЭВМСкачать

Вычислительная машина

Вычислительная машина — это комплекс технических средств, создающих возможность автоматизации обработки информации по заданному алгоритму и получения результата в необходимой форме. (ГОСТ)

Видео:Архитектура ЭВМ. Лекция 2: АЛУ. Устройство памятиСкачать

Вычислительная система как компонент IT-инфраструктуры

Вычислительная система ВС — совокупность нескольких взаимосвязанных и

взаимодействующих процессоров или вычислительных машин (компьютеров),

организованная для совместного выполнения процессов обработки информации.

Глобальная сеть WAN — охватывает большие географически районы и состоит из множества локальные сетей.

Локальные сети LAN — обладает замкнутой инфраструктурой до выхода на поставщиков

Вычислительные сети создаются для эффективного предоставления информационно-

вычислительных услуг (быстрый и надежный доступ к информационным ресурсам,

Корпоративные сети — сети отдельных организаций независимо от занимаемых территорий.

IT инфраструктура — это комплекс взаимосвязанных информационных систем и сервисов,

обеспечивающих функционирование и развитие средств информационного предприятия.

2) СКС — Структурированная кабельная система

3) ЛВС — Локальная вычислительная сеть

4) ИБП — Источники бесперебойного питания

5) АТС — Автоматизированная телефонная станция

6) ПО, АСУ — Автоматическая система управления

8) ЦОД — Центр обработки данных

Видео:Базовая архитектура и структура ЭВМСкачать

Предпосылки создания электронных вычислительных устройств

1) Паскаль. Суммирующая машина. 1642 год

2) Однер. Арифмометр. 1874 год.

4) Холерит. Статистические вычисления. 1890 год.

5) Аналоговая вычислительная машина. В аналоговых вычислительных машинах обработка информации происходит с помощью специально подобранного физического процесса, моделирующего некоторую вычисляющую закономерность. (Дифференциальные уравнения, интегралы, производные).

6) Машина Тьюринга — основополагающая, теоретическая предпосылка для создания

вычислительных машин. 1936 год Алан Тьюринг заложил основы теории алгоритмов

и теории автоматов. Машина Тьюринга — автоматическое устройство, способное

находиться в конечном числе внутренних состояний и снабженное бесконечной

внутренней памятью. Среди всех состояний выделяют начальное и конечное.

7) 1938 год. Был создан программируемый вычислитель, названный Z1.

8) 1940 год. Американцы разработали модель электронного вычислительного устройства.

9) 1946 год. Была разработана ЭНИАК на электронных лампах.

Видео:Архитектура ЭВМ. Лекция 1: Типы архитектур. Комбинационная и последовательная логика.Скачать

Основополагающие структурные принципы построения современных средств ВТ

Модульность. Любая система представляет собой набор модулей с известными

параметрами и известными связями, что позволяет увеличить скорость разработки

средств ВТ, используя готовые модули.

2) Магистральность. Обмен данными между модулями происходит по единым магистралям

с использованием наиболее быстрого алгоритма.

3) Микропрограммируемость. Подразумевает возможность создания микроарограмм

управления для блоков управления, использующих идеологию управляющих автоматов с

хранимой или программируемой логикой.

4) Модельность. Одна и та же идеология средств ВТ имеет различные модели,

различные по производительности, но имеющие одну и ту же целевую значимость для

пользователя. Модель более высокого уровня может обрабатывать микропрограммы

моделей более низкого уровня, что обеспечивает преемственность в развитии.

Видео:Архитектура компьютераСкачать

Архитектура ЭВМ

Архитектура ЭВМ — совокупность основных функциональных блоков и схем их

взаимодействия, определяющих функционально-логическую и структурную организацию

-Средства и способы доступа к элементам структурной схемы ЭВМ

-Организация и разрядность интерфейсов ЭВМ

-Организация и способы адресации памяти

-Способы представления и форматы данных ЭВМ

-Набор машинных команд ЭВМ

Четыре уровня описания вычислительной машины

2) Уровень общей архитектуры

Совокупность основных систем: ЦП, ОП, шины, УВВ

3) уровень описания компонентов, отдельных систем, составляющих общую архитектуру

4) Уровень детального описания компонентов

Логика программной последовательности, шины, регистры УУ, память УУ, логика

Видео:КАК работает ПРОЦЕССОР? ОБЪЯСНЯЕМСкачать

Разновидности архитектур ВМ и устройств

К лассическая архитектура(архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно уст­ройство управления (УУ), через которое проходит поток команд. Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры отно­сится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функцио­нальные блоки здесь свя­заны между собой общей шиной, называе­мой также системной магистралью. Совокуп­ность проводов магистрали раз­деляется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управле­ния. Периферийные устройства подключаются к аппаратуре компьютера че­рез специальные контроллеры — устрой­ство управ­ления, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредствен­ного управле­ния функционирова­нием данного оборудования.

Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере несколь­ких про­цессо­ров означает, что параллельно может быть организовано много потоков дан­ных и много потоков команд (параллельно могут обрабаты­ваться не­сколько фраг­ментов одной задачи). Структура такой машины имеет общую опе­ративную па­мять и несколько процессоров. Такая архи­тек­тура применяется для ре­шения задач с огромным объемом вычислений.

Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько про­цессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оператив­ной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Отдельный компьютер в много­машинной системе имеет классическую архитектуру и такая система приме­няется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вы­числи­тельной системы может быть получен только при решении задач, имеющих специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

Видео:Архитектура ЭВМ. Лекция 0: Предварительные сведенияСкачать

Технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ

3) Форма представления чисел

4) Номенклатура и характеристики запоминающего устройства

5) Номенклатура и характеристики устройства ввода-вывода

6) Типы и характеристики внутреннего и внешних интерфейсов

7) Наличие многопользовательских режимов и поддержка многозадачности

8) Архитектура системы команд

9) Состав и объем профилактических работ

10) Программная совместимость с другими ЭВМ

Видео:Системная шина процессораСкачать

Основные классификационные признаки ВМ

Классификационные признаки ЭВМ и ВС:

2) Используемая элементная база

Б) Проблемно-ориентированные (Промышленные компьютеры со специальным

В) Специализированные (Контроллеры, управляющие несложными техническими

устройствами и процессами, микропроцессоры специального назначения)

4) Размеры и вычислительная мощность

5) Особенность архитектуры

Видео:Архитектура персонального компьютераСкачать

Цифровые ВМ

Цифровой компьютер – это вычислительная машина, оперирующая информацией, представленной в дискретном виде. В настоящее время разработаны методы численного решения многих видов уравнений, что дало возможность решать на цифровых вычислительных машинах различные уравнения и задачи с помощью набора простых арифметических и логических операций. Поэтому если аналоговые вычислительные машины обычно предназначены для решения определенного класса задач, т.е. являются специализированными, то цифровой компьютер, как правило, универсальное вычислительное средство. Наибольшее распространение получили электронные вычислительные машины, выполненные с использованием новейших достижений электроники.

Видео:22 Гарвардская архитектураСкачать

Аналоговые ВМ

Аналоговый компьютер – это вычислительная машина, оперирующая информацией, представленной в виде непрерывных изменений некоторых физических величин. При этом в качестве физических переменных выступают сила тока электрической цепи, угол поворота вала, скорость и ускорение движения тела и т.п. Используя тот факт, что многие явления в природе математически описываются одними и теми же уравнениями, аналоговые вычислительные машины позволяют с помощью одного физического процесса моделировать различные другие процессы.

Гибридные ВМ

Гибридная вычислительная машина, аналого-цифровая система — вид гибридной вычислительной системы (ГВС), сочетающий в себе свойства аналоговых и цифровых вычислительных устройств

Специализированные ВМ

Специализированная вычислительная машина — вычислительная машина, предназначенная для решения одной задачи или узкого круга задач. Специализация такой машины повышает эффективность средств вычислительной техники, поскольку структурная и аппаратная интерпретация программ способствует повышению точности и быстродействия устройств, упрощает математическое обеспечение, снижает аппаратные затраты[1].

Специализированные компьютеры отличаются постоянством структуры, определяемой классом решаемых задач, что позволяет существенно упростить коммутационные устройства. Как и другие вычислительные машины, специализированные можно разделить на группы

Универсальные ВМ

Универсальные вычислительные машины предназначены для решения широкого круга самых разнообразных математических задач

Универсальные вычислительные машины имеют сумматоры, построенные по тем же арифметическим основам, что и счетчики электронных перфорационных вычислительных машин. Универсальная вычислительная машина состоит из ряда устройств — блоков, каждый из которых имеет специальное назначение.

Проблемно-ориентированные ВМ

Проблемно-ориентированные ВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами. К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.

Классификация Флинна

Single Instruction Single Data (stream) — » один поток команд , один поток данных «,

SISD (ОКОД). Multiple Data Stream Processing — «один поток команд, много потоков данных», архитектура

SIMD (ОКМД). Подразумевает исполнение одной команды несколькими процессорами.

Multiple Instruction Single Data (stream) — » много потоков команд , один поток данных «,

архитектура MISD (МКОД). В этой архитектуре данные подаются на набор процессоров,

каждый из которых исполняет определенную программу. Считается, что такая архитектура

Multiple Instructions — Multiple Data (stream) — » много потоков команд , много потоков данных «,

архитектура MIMD (МКМД). В этой параллельной архитектуре набор процессоров

независимо выполняет различные наборы команд, обрабатывающих различные наборы

Системы в архитектуре MIMD делятся на:

Системы с распределенной памятью (слабосвязанные системы). К ним относятся:

• К ластер.
• Системы с совместноиспользуемой памятью ( симметричные системы )

Перспективы эволюции архитектуры ЭВМ и ВС (два пути развития)

Путь развития средств ВТ заключается в совершенствовании архитектуры ВМ и систем:

1 Эволюция — совершенствование методов реализации уже известных идей

2 Реализация концепции параллельных вычислений

Закон Мура

Зако́н Му́ра — эмпирическое наблюдение, изначально сделанное Гордоном Муром , согласно которому (в современной формулировке) количество транзисторов , размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Часто цитируемый интервал в 18 месяцев связан с прогнозом Давида Хауса из Intel , по мнению которого производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев из-за сочетания роста количества транзисторов и быстродействия каждого из них.

Зависимость числа транзисторов на кристалле микропроцессора от времени. Обратите внимание, что вертикальная ось имеет логарифмическую шкалу, то есть кривая соответствует экспоненциальному закону — количество транзисторов удваивается примерно каждые 2 года

Мур высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца. При анализе графика роста производительности запоминающих микросхем им была обнаружена закономерность: появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно одинаковые периоды (18—24 мес.) после предшественников, при этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз приблизительно вдвое. Гордон Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально.

Это наблюдение получило название закон Мура. Существует масса схожих утверждений, которые характеризуют процессы экспоненциального роста, также именуемых «законами Мура». К примеру, менее известный «второй закон Мура», введённый в 1998 году Юджином Мейераном, который гласит, что стоимость фабрик по производству микросхем экспоненциально возрастает с усложнением производимых микросхем. Так, стоимость фабрики, на которой корпорация Intel производила микросхемы динамической памяти ёмкостью 1 Кбит, составляла 4 млн. $, а оборудование по производству микропроцессора Pentium по 0,6-микрометровой технологии c 5,5 млн. транзисторов обошлось в 2 млрд. $. Стоимость же Fab32, завода по производству процессоров на базе 45-нм техпроцесса, составила 3 млрд. $.

По поводу эффектов, обусловленных законом Мура, в журнале «В мире науки» как-то было приведено такое интересное сравнение:

«Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолёт Boeing 767 стоил бы 500 долл. и совершал облёт земного шара за 20 минут, затрачивая при этом пять галлонов (

18,9 л) топлива. Приведенные цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ». — Журнал «В мире науки» (1983, № 10)[3] (русское издание «Scientific American»)

В 2007 году Мур заявил, что закон, очевидно, скоро перестанет действовать из-за атомарной природы вещества и ограничения скорости света.

Одним из физических ограничений на миниатюризацию электронных схем является также Принцип Ландауэра, согласно которому логические схемы, не являющиеся обратимыми, должны выделять теплоту в количестве, пропорциональном количеству стираемых (безвозвратно потерянных) данных. Возможности по отводу теплоты физически ограничены.

Класс SISD

SISD (single instruction stream / single data stream) — одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся, прежде всего, классические последовательные машины, или иначе, машины фон-неймановского типа, например, PDP-11 или VAX 11/780. В таких машинах есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных. Не имеет значения тот факт, что для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка — как машина CDC 6600 со скалярными функциональными устройствами, так и CDC 7600 с конвейерными попадают в этот класс.

SISD компьютеры это обычные, «традиционные» последовательные компьютеры, в которых в каждый момент времени выполняется лишь одна операция над одним элементом данных (числовым или каким-либо другим значением). Большинство персональных ЭВМ до последнего времени, например, попадает именно в эту категорию. Иногда сюда относят и некоторые типы векторных компьютеров, это зависит от того, что понимать под потоком данных.

Архитектура ЭВМ фон Неймана

1. Операционная устройство (ВУ) , который выполняет команды из определенного набора, который называется системой (набором) команд , над порциями информации, хранящейся отделенной от операционного устройства памяти (хотя современные архитектуры имеют в составе операционного устройства дополнительную память (обычно банк регистров ), в которой операнды хранятся сравнительно короткое время непосредственно в процессе проведения вычислений.
2. Устройство управления (ПУ) , который организует последовательное выполнение алгоритмов, расшифровка команд, поступающих из запоминающего устройства (см. ниже), реагирует на аварийные ситуации и выполняет общие функции управления всеми узлами вычислительной машины. Обычно ОП и ПУ объединяются в структуру, называемуюцентральным процессором . Следует обратить внимание, что требование именно последовательного, в порядке поступления из памяти (в порядке изменения адресов в счетчике команд ) выполнения команд является принципиальной. Архитектуры, которые не соблюдают такого принципа, вообще не считаются фон-неймановской.
3. Запоминающее устройство (ЗУ) — массив ячеек с уникальными идентификаторами (адресам), в которых хранятся команды и данные.
4. Устройство ввода-вывода (ПВВ) , который обеспечивает связь ЭВМ с внешним миром, устройств, передающих информацию на переработку в ЭВМ и принимают результаты.

После загрузки программы (алгоритма и данных для обработки) в запоминающее устройство, машина фон-Неймана может работать автоматически, без вмешательства оператора. Каждая ячейка памяти машины имеет уникальный номер — адрес, а специальный механизм, чаще всего — счетчик команд — обеспечивает автоматическое выполнение необходимой последовательности команд, и определяет на каждом этапе адрес ячейки, из которой необходимо загрузить следующую команду.

Перед началом выполнения программы в счетчик записывается адрес ее первой команды. Определение адреса следующей команды происходит по одному из следующих сценариев:

1. Если текущая команда не является командой передачи управления (то есть это просто арифметическая или логическая операция над данными), то к текущему значению счетчика добавляется число, равное длине текущей команды в минимально адресованных единицах информации (понятно, что это возможно при условии, если обычные команды в блоках, не разделенных командами передачи управления, располагаются последовательно в памяти, иначе адрес следующей команды может храниться, например, непосредственно в команде).
2. Если текущая команда — команда передачи управления (команда условного или безусловного перехода ), которая изменяет последовательный ход выполнения программы, то в счетчик принудительно записывается адрес той команды, которая была заказана при выполнении перехода, где бы она ни находилась.

Принципы построения ЭВМ с хранимой в памяти программой

Принципы Джона фон Неймана и Сергея Алексеевича Лебедева.

ВМ — цифровое устройство, в котором определенным образом закодированные команды хранятся в памяти и выбираются из нее в момент исполнения

1. Принцип двоичного кодирования.

Для представления данных и команд используется двоичная система счисления.

2. Принцип однородности памяти.

Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления — чаще всего двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

3. Принцип адресуемости памяти.

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

4. Принцип последовательного программного управления.

Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой.

5. Принцип условного перехода.

Команды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые изменяют последовательность выполнения команд в зависимости от значений данных.

Алгоритм — конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций: дискретность, определенность, массовость и результативность.

Архитектура ЭВM фон Неймана — классическая однопроцессорная архитектура.

SISD — один поток команд, один поток данных.

ЦП — центральный процессор

ОП — оперативная память или оперативное запоминающее устройства — ОЗУ.

Основные блоки процессора:

Устройство управления (УУ) с интерфейсом процессора

арифметико-логическое устройство (АЛУ):

Процессорная память, (регистры)

Устройство управления (УУ) — организует автоматическое выполнение программ и обеспечивает функционирование ВМ как единого вычислительного модуля.

• Формирование управляющих сигналов, отвечающих за извлечение команд из памяти в порядке, определяемой программой, и последующее исполнение этих команд,

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — часть процессора, выполняющая арифметические и логические операции над данными. АЛУ состоит из регистров, сумматора с соответствующими логическими схемами и блока управления выполняемым процессом.

• Помимо результат операции АЛУ формирует ряд признаков результат(флагов).
• Регистры специальные ячейки памяти, расположенные внутри процессора, доступ к которым осуществляется не по адресам , как к основной памяти, а по именам.
• Они предназначены для временного хранения данных ограниченного размера

Принстонская архитектура (фон Неймановская)

Гарвардская архитектура

В 30-х годах прошлого века военное ведомство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать электромеханическую вычислительную систему для военно-морской артиллерии. Результатом усилий этих университетов стали две концепции построения вычислительных систем, которые определили развитие мировой вычислительной техники почти на 100 лет вперед. Мы знаем их как гарвардская и принстонская (более известная как фон-неймановская) архитектуры

Их основное отличие заключалось в том, что архитектура фон Неймана использовала единую память (общую шину данных), а гарвардская предполагала наличие нескольких шин (в оригинале две: шина данных и шина команд).

Читайте также: Летние шины с хорошим зацепом

Преимущества машины фон Неймана оценили сразу, поскольку в ней содержалось значительно меньше проводников между арифметико-логическим устройством (АЛУ) и областью памяти, и на долгие годы она стала эталоном для создания ВС. Именно фон-неймановская архитектура с подачи Джона Кока являлась прародителем процессоров RISC (Reduced Instruction Set Computer – вычисления с сокращенным набором команд).

Время шло, и в 70-х годах прошлого века появились полупроводники, в которых можно было создавать сотни микроскопических проводников. Проблема множества контактов была снята, и наступила эра гарвардской архитектуры. Действительно, если процессор имеет несколько шин, он может одновременно выполнить несколько действий. В этом случае за один такт гарвардский процессор может выполнить несколько операций, существенно опередив по производительности аналогичный фон-неймановский процессор. Чтобы это понять, достаточно посмотреть на схемы двух архитектур.

Появление процессоров на гарвардской архитектуре мировое сообщество восприняло прохладно, поскольку в начале 70-х годов не было программного обеспечения, способного реализовать его потенциал. Их за глаза называли процессорами «для бедных», поскольку они не могли работать на больших частотах.

Но все изменилось после появления персонального компьютера Apple I, в основе которого был восьмиразрядный процессор MOS 6502 на гарвардской архитектуре с операционной системой Apple DOS.

Простота ОС компенсировалась достаточно сложным процессором, названным впоследствии CISC (Complex Instruction Set Computer – вычисления с комплексным набором команд), с отдельной 16-разрядной адресной шиной ивозможностью произвольного манипулирования регистрами. Монолитная однопользовательская ОС позволила выжать из него небывалую по тем временам производительность при решении отдельных задачах.

Через несколько лет корпорация IBM бросилась догонять Apple, практически повторив ее идею. В основе созданного ею персонального компьютера (более известного нам как IBM-PC) были гарвардский процессор фирмы Intel и ОС Microsoft DOS. Впоследствии такие комплексы получили общеизвестную аббревиатуру – Wintel.

Естественно, что за скорость CISC-процессора приходилось платить удвоенным/утроенным количеством контактов, что не только перегревало процессор, но и накладывало ограничения на его размеры. В среднем на каждые 20% прироста производительности потребляемая мощность гарвардского процессора увеличивалась до 50%.

Выходом из этой ситуации стало появление многоядерных процессоров, в которых частота работы каждого вычислительного ядра была понижена, но суммарная производительность превышала даже показатели разогнанного одноядерного. Для наглядности на рис. 2 показан пример того, как меняются производительность и энергопотребление центрального процессора при изменении частот и количества ядер.

Преимущество многоядерных систем

Массовый переход на многоядерные вычислительные системы ознаменовался тем, что эра классического программирования закончилась. Многопоточные вычисления потребовали изменения алгоритмов программирования, иклассические, построенные на блок-схемах, алгоритмы практически перестали работать. Образовался серьезный разрыв между возможностями вычислительной техники и возможностями вычислительной математики. Закон Амдала только усугубил проблему, поскольку согласно ему создать полностью распараллеленный вычислительный алгоритм невозможно. Алгоритмов без определенной доли последовательных операций просто не существует.

Практически это означает, что для каждой задачи есть предельное количество вычислительных ядер, превышение которого не приведет к увеличению скорости вычисления. Следствием закона Амдала является утверждение, что при любом типе вычислений одно из вычислительных ядер процессора всегда загружено больше остальных. Опираясь на эти выводы, можно было предположить, что будут созданы многоядерные системы, содержащие различные типы вычислительных ядер.

Архитектура ARM – Advanced RISC Machine (в оригинале – Acorn RISC Machine), усовершенствованная RISC-машина – была построена на базе фон-неймановской архитектуры, но включала особенности процессоров CISC, что логично, поскольку в его основе лежал MOS 6502. В частности, машина ARM предполагала чрезвычайно простую реализацию вычислительного ядра, управляемого через контролируемый ввод. Именно технология, разработанная консорциумом ARM, позволила собрать на одном кристалле несколько различных вычислительных ядер, каждое из которых могло выполнять определенные функции.

Такая сборка получила название Soc (System on chip), поскольку к общей шине данных подключались не только вычислительные ядра процессора, но и видеоадаптер и контроллер памяти.

Всевозможные сочетания вычислительных ядер в Soc позволяли получать широкий спектр устройств, каждое из которых могло обладать своими уникальными особенностями. На базе Soc легко формировались телефоны, планшеты, телевизоры, плееры, видеокамеры и т.д. Но, чтобы реализовать эти возможности, требовалась специальная программная среда, легко модифицируемая под ту или иную сборку Soc.

Первой такой средой стала операционная система компании Apple – iPhone OS (впоследствии – Apple iOS), построенная на базе ядра Darwin (урезанного ядра BSD). Небольшое монолитное ядро, настроенное под конкретную Soc, как и вслучае с Apple DOS, позволяло получить максимальную отдачу от оборудования, а простота реализации вычислительных ядер обеспечивала существенную экономию энергопотребления.

А потом все заново повторилось, как 30 лет назад. Корпорация Google (современная IBM) решила обыграть идею Apple. Надо сказать, что в отличие от Apple, которая сама формировала оборудование, Google сразу замахнулась на широкий спектр возможных комбинаций Soc. И здесь тоже появилась своя «Microsoft» – Android inc, которая предложила операционную систему, архитектурно повторяющую Apple iOS, но позволяющую работать на нескольких типах Soc (см. рис. 3).

Операционные системы Android и iOS

Корневым отличием ОС Android OS от Apple iOS стало ядро, построенное на базе урезанного модульного ядра Linux. Подгружаемые по требованию модули позволяют переносить Android OS на широкий спектр оборудования, не пересобирая его каждый раз под новое устройство. Безусловно, при такой архитектуре Android имеет не только положительные, но и отрицательные характеристики.

Операционная система Android OS медленнее Apple iOS при вводе-выводе, потребность в оперативной памяти у нее выше, а также она менее эффективно работает с Soc. Но, сделав ставку на закон Мура, как в свое время это поступила корпорация IBM, Google выиграла, поскольку технические средства фирм – лицензиатов ARM развиваются быстрее аналогичных устройств Apple, а спектр возможных комбинаций Soc существенно шире возможностей Apple.

Сегодня мало у кого вызывает сомнение, что связка ARM и Android пришла надолго, сформировав новое направление, условно названное мной Armand (ARM + Android). Именно это сочетание мы скорее всего встретим сначала в бытовых приборах, а потом в медицине.

Безусловно, эра Wintel не закончилась и не закончится в ближайшее время, поскольку это основной мировой вычислительный инструмент. Стоимость вычислений на базе Wintel самая низкая в мире. И это несмотря на большую стоимость программных продуктов, разрабатываемых для этой платформы.

Но и Armand ждет не менее блестящее будущее. Эта платформа может стать основным инструментом в медицине. Последние сборки Soc, построенные на совмещении мощных и энергоэкономичных вычислительных ядер, позволяют предполагать появление устройств, существенно облегчающих жизнь больных людей.

Такие устройства будут экономичны в режиме ожидания и высокоэффективны в режиме активной работы. Управление экзоскелетами пожилых людей, браслеты с лекарством для диабетиков, речевые импланты – вот те немногие направления, в которых участие Armand очевидно.

Алгоритм. Свойства алгоритма

Алгоритм — точное предписание исполнителю совеpшить определенную последовательность действий для достижения поставленной цели за конечное число шагов.

Алгоритм — конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций: дискретность, определенность, массовость и результативность.

бычно формулируют несколько общих свойств алгоритмов, позволяющих отличать алгоритмы от других инструкций.

Такими свойствами являются:

• Дискретность (прерывность, раздельность) – алгоритм должен представлять процесс решения задачи как последовательное выполнение простых (или ранее определенных) шагов. Каждое действие, предусмотренное алгоритмом, исполняется только после того, как закончилось исполнение предыдущего.

• Определенность – каждое правило алгоритма должно быть четким, однозначным и не оставлять места для произвола. Благодаря этому свойству выполнение алгоритма носит механический характер и не требует никаких дополнительных указаний или сведений о решаемой задаче.

• Результативность (конечность) – алгоритм должен приводить к решению задачи за конечное число шагов.

• Массовость – алгоритм решения задачи разрабатывается в общем виде, то есть, он должен быть применим для некоторого класса задач, различающихся только исходными данными. При этом исходные данные могут выбираться из некоторой области, которая называется областью применимости алгоритма.

На основании этих свойств иногда дается определение алгоритма, например: “Алгоритм – это последовательность математических, логических или вместе взятых операций, отличающихся детерменированностью, массовостью, направленностью и приводящая к решению всех задач данного класса за конечное число шагов” .

Такая трактовка понятия “алгоритм” является неполной и неточной.

Во-первых, неверно связывать алгоритм с решением какой-либо задачи. Алгоритм вообще может не решать никакой задачи.

Во-вторых, понятие “массовость” относится не к алгоритмам как к таковым, а к математическим методам в целом. Решение поставленных практикой задач математическими методами основано на абстрагировании – мы выделяем ряд существенных признаков, характерных для некоторого круга явлений, и строим на основании этих признаков математическую модель, отбрасывая несущественные признаки каждого конкретного явления. В этом смысле любая математическая модель обладает свойством массовости. Если в рамках построенной модели мы решаем задачу и решение представляем в виде алгоритма, то решение будет “массовым” благодаря природе математических методов, а не благодаря “массовости” алгоритма.

Центральное устройство (ЦУ)

Процессор непосредственно реализует операции обработки информации и управления вычислительным процессом, осуществляя выборку машинных команд и данных из оперативной памяти, их выполнение и запись результатов в ОП, включение и отключение ВУ.

Процессор включает в себя, в большинстве случаев, одно или несколько операционных (или арифметическо-логических устройств) , устройство управления, локальную память, средства контроля и диагностики. Арифметически-логическое устройство (АЛУ) выполняет операции преобразования данных. Оно включает в себя один или несколько сумматоров и регистры для хранения промежуточных данных и результатов преобразований. Арифметическо-логическое устройство может быть расширено специализированными операционными устройствами: сдвигателем, быстрым умножителем, десятичным сумматором, конвертером и др.

Устройство управления (УУ) — автомат управляющий процессами передачи и обработки информации в процессоре. Это устройство принимает команды и формирует последовательность управляющих сигналов, проверяет и т. п. Оно входит в работы функциональных узлов путем выдачи синхронизирующих и управляющего сигналов. В составе процессора может находится локальная память различного функционального назначения: рабочие регистры, РОН,

регистры указатели, управляющие регистры, регистры служебных слов и т. п. Служебная память может использоваться для буферизации данных и команд, хранения таблиц преобразования адреса, ключей защиты и др.

Процессор может включать в себя набор специальных системных средств: службу времени (суточные часы, таймер и т. п.) , средства межпроцессорной связи, пульт управления системой и др. Средства контроля и диагностики позволяют обнаруживать и устранять неисправности без потери производительности процессора.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ)

Арифме́тико-логи́ческое устро́йство (АЛУ) (англ. arithmetic and logic unit, ALU) — блок процессора, который под управлением устройства управления (УУ) служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от элементарных) над данными, называемыми в этом случае операндами. Разрядность операндов обычно называют размером машинного слова.

1. АЛУ состоит из регистров, сумматора с соответствующими логическими схемами и блока управления выполняемым процессом.

2. Помимо результат операции АЛУ формирует ряд признаков результат(флагов).

3. Регистры специальные ячейки памяти, расположенные внутри процессора, доступ к которым осуществляется не по адресам , как к основной памяти, а по именам.

4. Они предназначены для временного хранения данных ограниченного размера

Устройство управления

В состав устройства управления входят следующие блоки:

· Блок генерации адресов инструкций. Он содержит в себе регистр программного счётчика (program counter или instruction pointer), хранящий адрес считываемой из памяти инструкции, и модифицирующийся после выборки каждой инструкции.

· Блок выборки инструкции, обеспечивающий считывание программ из памяти через устройство ввода-вывода . Он получает на вход адрес с блока генерации адреса инструкции, передаёт его на УВВ, получает с него данные по переданному адресу, и выдаёт на блок декодирования интсрукций.

· Блок декодирования инструкций, производящий преобразование кодов инструкций в последовательность кодов функций, передаваемые на исполнительные устройства.

· Блок переходов. Получает функциональные коды переходов и ветвлений, признаки результатов операций с функциональных устройств, проверяет истинность условия перехода, и передаёт сигнал на изменение программного счётчика.

· Блок обработки исключений. Принимает извне сигналы исключительных ситуаций (прерывания, ошибки узлов микропроцессора, нарушение привилегий, команды-ловушки и пр.) и передаёт сигнал на переход по вектору исключения в случае обнаружения.

· Блок отладки — необязательный. Служит для упрощения отладки программ. В его функциональность входит установка аппаратных точек останова (breakpoints), доступ к внутренним узлам процессора через специальный интерфейс . Доступ к блоку может быть как программный (через специальные инструкции), так и аппартный (через физический отладочный интерфейс).

ЗУ в ЭВМ классического типа

Сейчас применяются три основных вида ОЗУ:

· статическое (SRAM); память в виде массивов триггеров;

· динамическое (DRAM); память в виде массивов конденсаторов;

· основанном на изменении фазы (PRAM).

Обмен данными между процессором и оперативной памятью производится:

2. Через сверхбыструю память 0-го уровня — регистры в АЛУ, либо при наличии аппаратного кэша процессора — через кэш.

В постоянную память часто записывают микропрограмму управления техническим устройством: телевизором , сотовым телефоном , различными контроллерами , или компьютером ( BIOS или OpenBoot на машинах SPARC ).

Регистры

Регистры — специальные ячейки памяти , расположенные физически внутри процессора . Доступ к ним осуществляется не по адресам , а по именам . Они предназначены для временного хранения данных ограниченного размера . Физический регистр — это узел ЭВМ , предназначенный для хранения двоичных слов и выполнения над ними некоторых логических операций .

Регистр представляет собой совокупность триггеров , число которых соответствует числу разрядов в слове и дополнительных схем , выполняющих : сброс регистра , прием слова , выдача слова , сдвиг слова влево или вправо на требуемое количество разрядов , преобразование последовательного кода в параллельный , разрядных логических операций .

Регистры сверхоперативной памяти или регистровый файл . Общее название для регистров , которые временно содержат данные , передаваемые в память или принимаемые из нее .

Регистр команд служит для размещения текущей команды . Она находится в нем в течении текущего цикла процессора .

Регистр ( РАК ), счетчик ( СЧАК ) адреса команды — регистр , содержащий адрес текущей команды , регистр адреса числа — содержит адрес операнда выполняемой команды , регистр числа ( РЧ ) — содержит операнд , регистр результата — хранит результат выполнения команды , сумматор — регистр , осуществляющий операции логического и двоичного сложения чисел или битовых строк , индексный регистр — используется для автоматического изменения адреса операнда во время исполнения программы , часто для косвенной адресации , исполняемый адрес может формироваться как сумма базового , индексного и относительного адресов , аккумулятор — хранит промежуточные данные , регистр флагов и состояний — типичным содержимым является информация об особых результатах вычисления команд , УУ — использует информацию из регистра состояния для исполнения условных переходов

Блок ячеек памяти, образующий сверхбыструю оперативную память (СОЗУ) внутри процессора; используется самим процессором и большой частью недоступен программисту: например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд, к которому программист обратиться не может.

Имеются также регистры, которые в принципе программно доступны, но обращение к ним осуществляется из программ операционной системы, например, управляющие регистры и теневые регистры дескрипторов сегментов. Этими регистрами пользуются в основном разработчики операционных систем.

В отличие от оперативной памяти, где к памяти обращение идет по адресу, то к регистрам обращаются по имени, присвоенному каждому регистру.

Существуют также так называемые регистры общего назначения (РОН), представляющие собой часть регистров процессора, использующихся без ограничения в арифметических операциях, но имеющие определенные ограничения, например, в строковых РОН, не характерные для эпохи мейнфреймов типа IBM/370 стали популярными в микропроцессорах архитектуры X86 — Intel 8085, Intel 8086 и последующих.

Структура простейшего центрального устройства ЭВМ

Внешняя память

Внешняя память — это память, предназначенная для длительного хранения программ и данных. Целостность содержимого ВЗУ не зависит от того, включен или выключен компьютер

Дисковод (накопитель) — устройство записи/считывания информации. Накопители имеют собственное имя – буква латинского алфавита, за которой следует двоеточие. Для подключения к компьютеру одного или несколько дисководов и управления их работой нужен Дисковый контроллер

Носитель информации (носитель записи) – материальный объект, способный хранить информацию. Информация записывается на носитель посредством изменения физических, химических и механических свойств запоминающей среды

По типу доступа к информации внешнюю память делят на два класса:

• Устройства прямого (произвольного) доступа – время обращения к информации не зависит от места её расположения на носителе;

• Устройство последовательного доступа – такая зависимость существует

В состав внешней памяти входят:

5) накопители на магнитной ленте и др.

Именованная область данных на носителе информации.

Работа с файлами реализуется средствами операционных систем. Многие операционные системы приравнивают к файлам и обрабатывают сходным образом и другие ресурсы:

• Области данных (необязательно на диске);

• Устройства — как физические, например, порты или принтеры , так и виртуальные ( /dev/null , генератор случайных чисел );

• Потоки данных ( именованный канал );

• Сетевые ресурсы, сокеты ;

• Прочие объекты операционной системы.

Внешние устройства в ВМ различного типа (специализированных, универсальных)

Архитектура ВМ с «непосредственными связями». Достоинства и недостатки

«Иерархическая» архитектура ВМ.

Магистральная архитектура ВМ

В основу положен модульно-магистральный принцип. Модульный принцип позволяет комплектовать нужную конфигурацию, модернизировать ее. Модульная организация опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией. Обмен информацией между устройствами производится по трем многоразрядным шинам (многопроводные линии связи).

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора (т.е. количество двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт). Шина данных двунаправленная от процессора к устройству и наоборот. Код адреса формируется процессором и передается по шине адреса. Шина однонаправленная (от процессора к устройству). Разрядность определяет объем адресуемой памяти и может не совпадать с разрядностью шины данных. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией (ввод/вывод) и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств.

Системная ШИНА — это аппаратная реализация стандартов взаимодействия различных узлов. Ее разрядность во многом определяет производительность компьютера , поскольку она связывает между собой процессор, ОЗУ, слоты (т.е. специальные разъемы) расширения. Существуют различные стандарты системной шины, которые сложились по мере развития техники: MCA, ISA, VESA, EISA, PCI и SCSI. В компьютерах типа Pentium используется, как правило, шина PCI.

Подключение отдельных модулей ЭВМ к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, адаптеров, а на программном обеспечивается драйверами. Их совокупность называется интерфейсом.

Архитектура с иерархией шин

История появления ПК

1) Паскаль. Суммирующая машина. 1642 год

2) Однер. Арифмометр. 1874 год.

4) Холерит. Статистические вычисления. 1890 год.

5) Аналоговая вычислительная машина. В аналоговых вычислительных машинах обработка

информации происходит с помощью специально подобранного физического процесса,

моделирующего некоторую вычисляющую закономерность. (Дифференциальные

уравнения, интегралы, производные).

6) Машина Тьюринга — основополагающая, теоретическая предпосылка для создания

вычислительных машин. 1936 год Алан Тьюринг заложил основы теории алгоритмов

и теории автоматов. Машина Тьюринга — автоматическое устройство, способное

находиться в конечном числе внутренних состояний и снабженное бесконечной

внутренней памятью. Среди всех состояний выделяют начальное и конечное.

7) 1938 год. Был создан программируемый вычислитель, названный Z1.

8) 1940 год. Американцы разработали модель электронного вычислительного устройства.

9) 1946 год. Была разработана ЭНИАК на электронных лампах.

Принцип «открытой» архитектуры ВМ

Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя.

Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры.

Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:

• Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определённая совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями.
• Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, и, тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.

Для того чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера они должны иметь одинаковый интерфейс

Интерфейс — это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой.

Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определённого типа — адресной, управляющей или шиной данных.

Для согласования интерфейсов переферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллёры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме:

Блочно-модульная компоновка ВМ

Компьютер собирается из отдельных унифицированных блоков. Существует некий базовый состав блоков, необходимый для работы ПК, а открытая система позволяет пользователю самостоятельно дополнять и изменять блочный состав компьютера, при этом, конечно же, функциональная завершенность системы не должна быть нарушена.

Для взаимодействия блоков между собой и с центральным процессором организуется приемно-передающий канал — системная шина.

Для состыковки блоков между собой имеются специальные системные разъемы, к контактам которых подводятся сигналы системной шины. Такой комплект разъемов размещается на системной (материнской) плате. Остальные элементы, подключаемые к системным разъемам материнской платы, имеют ответные части для их установки в разъемы.

Северный мост

Название можно объяснить представлением архитектуры чипсета в виде карты. В результате контроллер-концентратор памяти будет располагаться на вершине карты, на севере.

Исходя из назначения, северный мост определяет параметры (возможный тип, частоту, пропускную способность):

• Системной шины и, косвенно, процессора (исходя из этого — до какой степени может быть разогнан компьютер),
• Оперативной памяти (тип — например SDRAM , DDR , её максимальный объем),
• Подключенного видеоадаптера.

Во многих случаях именно параметры и быстродействие северного моста определяют выбор реализованных на материнской плате шин расширения(PCI, PCI Express) системы.

В свою очередь, северный мост соединён с остальной частью материнской платы через согласующий интерфейс и южный мост.

На этапе, когда технологии производства не позволяют скомпенсировать возросшее, вследствие усложнения внутренней схемы, тепловыделение чипа, современные мощные микросхемы северного моста, помимо пассивного охлаждения радиатора, для своей бесперебойной работы требуют использования индивидуального вентилятора или системы охлаждения.

В современных системах, начиная от Intel Nehalem и AMD Sledgehammer отсутствует северный мост в виде отдельного контроллера (чипа). Его функция была перенесена в центральный процессор, тем самым упростив проектирование системных плат и уменьшив количество активных компонентов последнего.

Южный мост

Обычно это одна микросхема , которая связывает «медленные» (по сравнению со связкой « Центральный процессор — ОЗУ ») взаимодействия (например, Low Pin Count , Super I/O или разъёмы шин для подключения периферийных устройств ) на материнской плате с ЦПУ через Северный мост , который, в отличие от Южного, обычно подключён напрямую к центральному процессору материнской платы.

Функционально южный мост включает в себя:

• контроллеры шин PCI , PCI Express , SMBus, I2C , LPC , Super I/O
• DMA контроллер;
• контроллер прерываний ;
• PATA (IDE) и SATA контроллеры;
• часы реального времени (Real Time Clock);
• управление питанием (Power management, APM и ACPI);
• энергонезависимую память BIOS ( CMOS );
• звуковой контроллер (обычно AC’97 или Intel HDA ).

Опционально южный мост также может включать в себя контроллер Ethernet , RAID -контроллеры, контроллеры USB , контроллеры FireWire и аудио-кодек.

Технологический процесс полупроводникового производства

Технологический процесс полупроводникового производства — технологический процесс изготовления полупроводниковых ( п / п ) изделий .

Совершенствование технологии и пропорциональное уменьшение размеров п / п структур способствуют улучшению характеристик микросхем , процессоров , микроконтроллеров и тд .

• 3 мкм — Intel 8086 — 1979 год
• 65 нм Intel Core 2 Duo 2006 год
• 4 5 нм Intel Core i3, i5, i7 — 2008 год

Состав микропроцессора

В состав микропроцессора входят следующие устройства:

1. Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.

2. Устройство управления координирует взаимодействие различных частей компьютера. Выполняет следующие основные функции:

• формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;
• формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;
• получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность импульсов.

3. Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.

4. Интерфейсная система микропроцессора предназначена для связи с другими устройствами компьютера. Включает в себя:

• внутренний интерфейс микропроцессора;
• буферные запоминающие регистры;
• схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной. (Порт ввода-вывода — это аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору , другое устройство.)

К микропроцессору и системной шине наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора. К ним относятся математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Математический сопроцессор используется для ускорения выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления тригонометрических функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным микропроцессором, но под управлением последнего. В результате происходит ускорение выполнения операций в десятки раз. Модели микропроцессора, начиная с МП 80486 DX, включают математический сопроцессор в свою структуру.

Контроллер прямого доступа к памяти освобождает микропроцессор от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие компьютера.

Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с микропроцессором значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств, освобождает микропроцессор от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует режим прямого доступа к памяти.

Характеристики микропроцессора

• Тип микроархитектуры ;
• Т актовая частота ;
• Н абор выполняемых команд ;
• К оличество уровней КЭШ — памяти и их объем ;
• Тип и скорость системной шины ;
• Р азмер обрабатываемых слов ;
• Н аличие встроенного контроллера памяти ;
• О бъем адресуемой памяти ;
• Н аличие встроенного графического ядра ;
• Э нергопотребление ;

Разрядность шины данных микропроцессора определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции; разрядность шины адреса МП определяет его адресное пространство.

Адресное пространство — это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.

Рабочая тактовая частота МП во многом определяет его внутреннее быстро­действие, поскольку каждая команда выполняется за определенное количество тактов. Быстродействие (производительность) ПК зависит также и от тактовой частоты шины системной платы, с которой работает (может работать) МП.

Кэш-память, устанавливаемая на плате МП, имеет два уровня:
L1 — память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы (ядра) МП и работающая всегда на полной частоте МП (впервые кэш L1 был введен в МП i486 и в МП i386SLC);
L2 — память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате МП и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной (впервые введен в МП Pentium II). Память L2 может работать на полной или половинной частоте МП. Эффективность этой кэш-памяти зависит и от пропускной способности микропроцессорной шины.

Состав инструкций — перечень, вид и тип команд, автоматически исполняемых МП. От типа команд зависит классификационная группа МП (CISC, RISC, VLIW и т. д.). Перечень и вид команд определяют непосредственно те процеду­ры, которые могут выполняться над данными в МП, и те категории данных, над которыми могут применяться эти процедуры. Дополнительные инструкции в не­больших количествах вводились во многих МП (286, 486, Pentium Pro и т. д.). Но существенное изменение состава инструкций произошло в МП i386 (этот со­став далее принят за базовый), Pentium MMX, Pentium III, Pentium 4.

Конструктив подразумевает те физические разъемные соединения, в которые устанавливается МП и которые определяют пригодность материнской платы для установки МП. Разные разъемы имеют разную конструкцию (Slot — щеле­вой разъем, Socket — разъем-гнездо), разное количество контактов, на которые подаются различные сигналы и рабочие напряжения.

Рабочее напряжение также является фактором пригодности материнской платы для установки МП.

Первый микропроцессор был выпущен в 1971 году фирмой Intel (США) — МП 4004. В настоящее время разными фирмами выпускается много десятков различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и Intel-подобные.

Все микропроцессоры можно разделить на группы:

· CISC (Complex Instruction Set Command) с полным набором системы команд;

· RISC (Reduced Instruction Set Command) с усеченным набором системы команд;

· VLIW (Very Length Instruction Word) со сверхбольшим командным словом;

· MISC (Minimum Instruction Set Command) с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и т. д.

Ядро микропроцессора (основные функциональные блоки)

Термин «ядро микропроцессора» (англ. processor core) не имеет чёткого определения и в зависимости от контекста употребления может обозначать особенности, позволяющие выделить модель в отдельный вид:

· Часть микропроцессора, содержащую основные функциональные блоки.

· Кристалл микропроцессора (CPU или GPU), чаще всего, открытый.

· Набор характеристик организационного, схемотехнического или программного характера:

· Часть процессора, осуществляющая выполнение одного потока команд. Многоядерные процессоры имеют несколько ядер и поэтому способны осуществлять независимое параллельное выполнение нескольких потоков команд одновременно.

Читайте также: Отличие шин bridgestone turanza t001 от t005

· Набор параметров, характеризующих микропроцессор.

Ядро микропроцессора обычно имеет собственное кодовое обозначение (например, K7) или имя (например, Deschutes).

1) Блок выборки инструкций осуществляет считывание инструкций по адресу , указанному в счетчике команд . Количество считываемых инструкций обусловлено количеством блоков декодирования , так как необходимо при каждом такте работы максимально загрузить блоки декодирования .

2) Блоки декодирования — занимаются декодированием инструкций , то есть определяют , что надо сделать процессору , и какие дополнительные данные нужны для выполнения инструкции .

3) Блок выборки данных осуществляет выборку данных из КЭШ — памяти или ОЗУ , необходимых для выполнения текущих инструкций .

4) Управляющий блок на основании декодированных инструкций управляет работой блоков выполнения инструкций , распределяет нагрузку между ними , обеспечивает своевременное и верное выполнение инструкций .

5) Блоки выполнения инструкций включают в себя несколько разнотипных блоков :

6) Блок сохранения результатов обеспечивает запись результата выполнения инструкции в ОЗУ по адресу , указанному в обрабатываемой инструкции .

7) Блок работы с прерываниями . Работа с прерываниями — одна из важнейших задач процессора , позволяющая ему своевременно реагировать на события , прерывать ход работы программы и выполнять требуемые от него действия .

8) Микрокод — серия простых инструкций , в совокупности выполняющих то же действие , что и одна сложная инструкция . Набор микрокод прошит в ПЗУ , встроенном в процессоре .

1) Регистры — сверхбыстрая оперативная память небольшого объема ( несколько сотен байт ), входящая в состав процессора , для временного хранения промежуточных результатов выполнения инструкций .

§ Регистры общего назначения ;

10) Счетчик команд — регистр , содержащий адрес команды , которую процессор начнет выполнять на следующем такте работы .

Расширения набора инструкций (SIMD-расширения архитектуры IA-32)

Расширенные инструкции процессора

1. Уменьшение времени на решение задачи .
2. Увеличить тактовую частоту
3. Увеличить количество исполняемых за такт команд
4. Увеличить количество данных , обрабатываемых каждой командой

Для реализации последнее способа необходимо чтобы единицы данных располагались последовательно и имели один и тот же тип . ( Массив однородных элементов , мультимедиа файлы ).

Под SIMD расширением понимается программно — аппаратное решение , представляющее собой совокупность дополнительных регистров и наборов инструкций процессора , предназначенных для групповой обработки данных . Так же необходимо наличие соответствующих компиляторов .

ММХ — 1997 год . 57 команд для обработки звука и видео . ММХ ориентирована на обработку больших массивов данных целого типа . Основа аппаратных компонентов — 8 регистров по 64 бита (8 байт ) каждый . ММХ поддерживает данные размером в 1, 2, 4 или 8 байт . То есть один ММХ регистр может содержать . ММХ использует регистр со — процессора

Расширение SS Е . 1999 год , появился в Pentium 3. 70 новых команд . Оперирует данными вещественного типа , которые используются в геометрических расчетах . Оперируют 128 битными регистрами

SSE 2. Появился в Pentium 4. 144 команды . Работает не только с четверками чисел одинарной точности , но и с любыми данными которые умещаются в 128 бит . Использовалось 8 регистров . Используется для уменьшения погрешностей в вычислениях .

SSE 3. Появилась горизонтальная и вертикальная арифметика .

3 DNow ! Начиналось с 21 команды . Узкая специальность , предназначенная для расчетов 3 D графики . 8 регистров по 64 бита .

Принцип работы ядра процессора (упрощенный вид)

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовой частотой процессора.

Время работы каждого этапа цикла и время полного выполнения одной инструкции, определяется устройством ядра процессора.

1) Блок выборки инструкций. Проверка прерываний. Если прерывания есть, то данные регистров и счетчика команд заносятся в стек, а в счетчик команд заносится адрес команды обработчика прерываний. По окончании работы, функция обработки прерываний, данные из стека будут восстановлены.

2) Блок выборки инструкций из счетчика команд считывает адрес команды, предназначенной для выполнения. По этому адресу из КЭШ памяти или ОЗУ считываются команды, полученные данные передаются в блок декодирования.

3) Блок декодирования команд расшифровывает команду, при необходимости используя для интерпретации команд записанный в ПЗУ микрокод. Управление передается в блок выборки инструкций, иначе счетчик команд увеличивается на размер команды и передает управление в блок выборки данных.

4) Блок выборки данных считывает КЭШ память и ОЗУ, требуемые для выполнения команд данные. Управляющий блок определяет к какому блоку выполнения инструкций обработать текущую задачу

5) Блоки управления инструкций передают управление блоку сохранения результата

6) При необходимости сохранения результата в ОЗУ блок сохранения результата выполняет требуемые для этого действия и передает управление блоку выборки инструкций.

Способы повышения производительности ядра процессора

Способы повышения производительности яда процессора:

3) Параллельная обработка данных

4) Технология Hyper-Threading

Суперскалярность

Суперскалярность — архитектура вычислительного ядра, при которой наиболее нагруженные блоки могут входить в процессор в нескольких экземплярах.

Например, в ядре процессора блок выборки инструкций может нагружать сразу несколько блоков декодирования.

Суперскалярность — архитектура вычислительного ядра, использующая несколько декодеров команд, которые могут загружать работой множество исполнительных блоков. Планирование исполнения потока команд является динамическим и осуществляется самим вычислительным ядром.

Если в процессе работы команды, обрабатываемые конвейером, не противоречат друг другу, и одна не зависит от результата другой, то такое устройство (ядро) может осуществить параллельное выполнение команд. В суперскалярных системах решение о запуске инструкции на исполнение принимает сам вычислительный модуль, что требует много ресурсов. В более поздних системах, таких как Эльбрус-3 и Itanium, используется статпланирование, то есть параллельные инструкции объединяются компилятором в длинную команду, в которой все инструкции заведомо параллельные (архитектура VLIW).

Существует спор относительно того, какую ЭВМ можно считать первой суперскалярной. В иностранной литературе чаще всего указывается CDC 6600 (1964) разработанная Сеймуром Крэем. В СССР первой суперскалярной ЭВМ считался «Эльбрус», разработка которого велась в 1973—1979 годах в ИТМиВТ. Основным структурным отличием Эльбруса от CDC 6600 (кроме, естественно, совершенно другой видимой программисту системы команд — стекового типа) являлось то, что все модули исполнения в нём были конвейеризованы, как в современных суперскалярных микропроцессорах. На основании этого факта Б. А. Бабаян заявлял о приоритете советских ЭВМ в вопросе построения суперскалярных вычислительных машин, однако уже следующая за CDC 6600 машина фирмы Control Data, CDC 7600 1969 года имела конвейеризацию исполнительных устройств. Кроме того, несколько ранее (1967) фирмой IBM была выпущена машина IBM 360/91, использующая внеочередное исполнение, переименование регистров и конвейеризацию исполнительных устройств. Первым же коммерчески широкодоступным суперскалярным микропроцессором стал i960, вышедший в 1988 году. В 1990-е годы основным производителем суперскалярных микропроцессоров стал Intel.

Параллельная обработка данных

Проблемы с приростом производительности:

• Не все программы поддерживают распределение вычислений на насколько ядер

• Усложняется работа с памятью, так как ядер много, и всем им требуется доступ к ОЗУ

• Возрастает энергопотребления, увеличивается тепловыделение и требуется мощная система охлаждения.

Технология позволяет каждому ядру процессора выполнять две задачи одновременно , по сути , делая из одного реального ядра — два виртуальных .

Бесконечно повышать производительность процессоров, за счет увеличения тактовой частоты, невозможно. Увеличение тактовой частоты влечет за собой увеличение тепловыделения, уменьшение срока службы и надежности работы процессоров, да и задержки от обращения к памяти сильно снижают эффект от увеличения тактовой частоты. Действительно, сейчас практически не встретишь процессоры с тактовой частотой выше 3.8 ГГц.

Связанные с увеличением тактовой частоты проблемы заставляют разработчиков искать иные пути повышения производительности процессоров. Один из наиболее популярных способов – параллельные вычисления.

Подавляющее большинство современных процессоров имеют два и более ядра. Топовые модели могут содержать и 8, и даже 12 ядер, причем с поддержкой технологии hyper-threading. Преимущества от ввода дополнительных ядер вполне понятны, мы практически получаем несколько процессоров, способных независимо решать каждый свои задачи, при этом, естественно, возрастает производительность. Однако прирост производительности далеко не всегда оправдывает ожидания.

Во-первых, далеко не все программы поддерживают распределение вычислений на несколько ядер. Естественно, можно программы разделять между ядрами, чтобы на каждом ядре работал свой набор независимых программ. Например, на одном ядре работает операционная система с набором служебных программ, на другом пользовательские программы и так далее.

Но это дает выигрыш в производительности до тех пор, пока не появляется программа, требующая ресурсов больше, чем может дать одно ядро. Хорошо, если она поддерживает распределение нагрузки между несколькими ядрами. Но на данный момент общедоступных программ, способных распределить нагрузку между 12 ядрам, да еще в режиме Hyper-Threading, можно «сосчитать на пальцах одной руки». Я, конечно, утрирую, существуют программы, оптимизированные для многопоточных вычислений, но большинству простых пользователей они не нужны. А вот наиболее популярные программы, а тем более игры, пока что «плохо» адаптируются к многоядерным процессорам, особенно, если количество ядер больше четырех.

Во-вторых, усложняется работа с памятью, так как ядер – много, и всем им требуется доступ к ОЗУ. Требуется сложный механизм, определяющий очередность доступа ядер процессора к памяти и к другим ресурсам ЭВМ.

В-третьих, возрастает энергопотребление, а, следовательно, увеличивается тепловыделение и требуется мощная система охлаждения.

Ну и, в-четвертых, себестоимость производства многоядерных процессоров – немаленькая, а, соответственно, и цена на такие процессоры «кусается».

Несмотря на все недостатки, применение процессоров с 2-4 ядрами, несомненно, дает значительный прирост производительности. Однако, на данный момент, применение процессоров с количеством ядер больше четырех не всегда оправдывает ожидание. Однако, в ближайшем будущем, ситуация должна кардинально измениться. Обязательно появится множество программ с поддержкой многопоточности, производительность отдельных ядер возрастет, а их цена снизится.

Конвейеризация

Каждая инструкция, выполняемая процессором, последовательно проходит все блоки ядра, в каждом из которых совершается своя часть действий, необходимых для выполнения инструкции. Если приступать к обработке новой инструкции только после завершения работы над первой инструкцией, то большая часть блоков ядра процессора в каждый момент времени будет простаивать, а, следовательно, возможности процессора будут использоваться не полностью.

Рассмотрим пример, в котором процессор будет выполнять программу, состоящую из пяти инструкций (К1–К5), без использования принципа конвейеризации. Для упрощения примера примем, что каждый блок ядра процессора выполняет инструкцию за 1 такт.

Как видно из таблицы, для выполнения пяти инструкций процессору понадобилось 25 тактов. При этом в каждом такте четыре из пяти блоков ядра процессора простаивали, т.е. процессор использовал всего 20% своего потенциала. Естественно, в реальных процессорах все сложнее. Разные блоки процессора решают разные по сложности задачи. Сами инструкции тоже отличаются друг от друга по сложности. Но в общем ситуация остается такой же.

Для решения этой проблемы во всех современных процессорах выполнение инструкций построено по принципу конвейера, то есть по мере освобождения блоков ядра, они загружаются обработкой следующей инструкции, не дожидаясь пока предыдущая инструкция выполнится полностью.

Рассмотрим пример выполнения той же программы, состоящей из пяти инструкций, но с использованием принципа конвейеризации.

Та же программа была выполнена за 9 тактов, что почти 2.8 раза быстрее, чем при работе без конвейера. Как видно из таблицы максимальная загрузка процессора была получена на 5 такте. В этот момент использовались все блоки ядра процессора. А с первого по четвертый такт, включительно, происходило наполнение конвейера.

Так как процессор выполняет команды непрерывно, то, в идеале, он мог бы быть занят на 100%, при этом, чем длиннее был бы конвейер, тем больший выигрыш в производительности был бы получен. Но на практике это не так.

Во-первых, реальный поток команд, обрабатываемый процессором – непоследовательный. В нем часто встречаются переходы. При этом пока команда условного перехода не будет обработана полностью, конвейер не сможет начать выполнение новой команды, так как не знает, по какому адресу она находится.

После условного перехода конвейер приходится наполнять заново. И чем длиннее конвейер, тем дольше это происходит. В результате, прирост производительности от введения конвейера снижается.

Для уменьшения влияния условных переходов на работу конвейера, в ядро процессора вводятся блоки предсказания условных переходов. Основная задача этих блоков – определить, когда будет совершен условный переход и какие команды будут выполнены после совершения условного перехода.

Если условный переход удалось предсказать, то выполнение инструкций по новому адресу начинается раньше, чем будет закончена обработка команды условного перехода. В результате, наполнение конвейера не пострадает.

По статистике, точность блоков предсказания условных переходов в современных процессорах превышает 90%, что позволяет делать достаточно длинные, но при этом хорошо наполняемые конвейеры.

Во-вторых, часто обрабатываемые инструкции – взаимосвязаны, то есть одна из инструкций требует в качестве исходных данных результата выполнения другой инструкции.

В этом случае она может быть выполнена только после полного завершения обработки первой инструкции. Однако современные процессоры могут анализировать код на несколько инструкций вперед и, например, параллельно с первой инструкцией обработать третью инструкцию, которая никак не зависит от первых двух.

В большинстве современных процессорах задача анализа взаимосвязи инструкций и составления порядка их обработки ложится на плечи процессора, что неминуемо ведет к снижению его быстродействия и увеличению стоимости.

Однако все большую популярность получает статическое планирование, когда порядок выполнения программы процессором определяется на этапе компиляции программы. В этом случае инструкции, которые можно выполнить параллельно, объединяются компилятором в одну длинную команду, в которой все инструкции заведомо параллельны. Процессоры, работающие с такими инструкциями, построены на базе архитектура VLIW (Very long instruction word).

Технология Hyper-Threading

• Если по какой-либо причине один из потоков освобождает элементы конвейера, другой поток использует свободные блоки.

• Большинство программ не могут полностью нагрузить процессор, используя несложные целочисленные вычисления, практически не задействуя блок FPU.

• Программы обработки 3D-графики требуют массу расчетов с использованием чисел с плавающей точкой.

Потоки используют общие блоки одного конвейера и часто вынуждены ждать освобождения требуемого блока

• Виртуальных ядер может стать слишком много, особенно, если процессор содержит четыре и больше физических ядра. (Недостаточно ПО способного распределить вычисления на большее количество ядер)

• Hyper-Threading очень зависима от типа нагрузки на процессор и может дать хороший прирост производительности, а может быть практически бесполезной.

(Технология Intel Hyper-threading позволяет каждому ядру процессора выполнять две задачи одновременно, по сути, делая из одного реального ядра два виртуальных. Это возможно из-за того, что в таких ядрах сохраняется состояние сразу двух потоков, так как у ядра есть свой набор регистров, свой счетчик команд и свой блок работы с прерываниями для каждого потока. В результате, операционная система видит такое ядро, как два отдельных ядра, и будет с ними работать так же, как работала бы с двуядерным процессором.

Однако остальные элементы ядра для обоих потоков – общие, и делятся между ними. Кроме этого, когда по какой-либо причине один из потоков освобождает элементы конвейера, другой поток использует свободные блоки.

Элементы конвейера могут быть не задействованы, если, например, произошел промах при обращении в КЭШ-память, и необходимо считать данные из ОЗУ, или неверно был предсказан переход, или ожидаются результаты обработки текущей инструкции, или какие-то блоки вообще не используются при обработке данной инструкции и т.д.

Большинство программ не могут полностью нагрузить процессор, так как некоторые, в основном, используют несложные целочисленные вычисления, практически не задействуя блок FPU. Другие же программы, например 3D-студия, требуют массу расчетов с использованием чисел с плавающей точкой, но при этом освобождая некоторые другие исполнительные блоки и так далее.

К тому же практически во всех программах – много условных переходов и зависимых переменных. В результате, использование технологии Hyper-threading может дать существенный прирост производительности, способствуя максимальной загрузке конвейера ядра.

Но не все так просто. Естественно, прирост производительности будет меньше, чем от использования нескольких физических ядер, так как все-таки потоки используют общие блоки одного конвейера и часто вынуждены ждать освобождения требуемого блока. К тому же большинство процессоров уже имеют несколько физических ядер, и при использовании технологии Hyper-threading виртуальных ядер может стать слишком много, особенно, если процессор содержит четыре и больше физических ядра.

Так как на данный момент программ, способных распределять вычисления на большое количество ядер, – крайне мало, то в этом случае результат может разочаровать пользователей.

Есть еще одна серьезная проблема технологии Hyper-Threading – это конфликты, возникающие, когда инструкции разных потоков нуждаются в однотипных блоках. Может сложиться ситуация, когда параллельно будут работать два схожих потока, часто использующие одни и те же блоки. В таком случае прирост производительности будет минимален.

В результате, технология Hyper-Threading очень зависима от типа нагрузки на процессор и может дать хороший прирост производительности, а может быть практически бесполезной.)

Технология Turbo Boos t

• Процессоры с этой технологией могут сами динамически, на короткий промежуток времени, повышать тактовую частоты, тем самым, увеличивая свою производительность.

• Процессор контролирует все параметры своей работы: напряжение, силу тока, температуру и тд не допуская сбоев и тем более выхода из строя.

Применение этой технологии позволяет значительно поднять производительность процессора, особенно, при работе с однопоточными приложениями.

(Производительность большинства современных процессоров в домашних условиях можно немного поднять, попросту говоря разогнать – заставить работать на частотах, превышающих номинальную, т.е. заявленную производителем.

Частота процессора рассчитывается, как частота системной шины, умноженная на некий коэффициент, называемый множителем. Например, процессор Core i7-970 работает с системной шиной DMI на базовой частоте – 133 МГц, и имеет множитель – 24. Таким образом, тактовая частота ядра процессора составит: 133 Мгц*24= 3192 Мгц.

Если в настройках BIOS увеличить множитель или поднять тактовую частоту системной шины, то тактовая частота процессора увеличится, а, соответственно, увеличится и его производительность. Однако процесс этот – далеко небезопасный. Из-за разгона процессор может работать нестабильно или вообще выйти из строя. Поэтому к разгону нужно подходить ответственно и тщательно контролировать параметры работы процессора.

С появление технологии Turbo Boost все стало гораздо проще. Процессоры с этой технологией могут сами динамически, на короткий промежуток времени, повышать тактовую частоту, тем самым, увеличивая свою производительность. При этом процессор контролирует все параметры своей работы: напряжение, силу тока, температуру и т.д., не допуская сбоев и тем более выхода из строя. Например, процессор может отключить неиспользуемые ядра, тем самым, понизив общую температуру, а взамен увеличить тактовую частоту остальных ядер.

Так как на данный момент существует не очень много программ, использующих для обработки данных все процессорные ядра, особенно, если их больше четырех, то применение технологии Turbo Boost позволяет значительно поднять производительность процессора, особенно, при работе с однопоточными приложениями.)

Направления развития архитектур современных процессоров

В зависимости от типов обрабатываемых инструкций и способа их исполнения, процессоры подразделяются на несколько групп:

• На классические процессоры CISC;
• На процессоры RISC с сокращенным набором команд;
• На процессоры MISC с минимальным набором команд;
• На процессоры VLIW с набором сверхдлинных команд.

Процессоры CISC

CISC (Complex instruction Set computer) — процессоры со сложным набором команд.

Архитектура CISC характеризуется:

1. Сложными и многоплановыми инструкциями;
2. Большим набором различных инструкций;
3. Не фиксированной длиной инструкций;
4. Многообразием режимов адресации.

Типичными представителями являются процессоры на основе команд x86 (исключая современные Intel Pentium 4, Pentium D, Core, AMD Athlon, Phenom, которые являются гибридными) и процессоры Motorola MC680x0.

Наиболее распространённая архитектура современных настольных, серверных и мобильных процессоров построена по архитектуре Intel x86 (или х86-64 в случае 64-разрядных процессоров). Формально, все х86-процессоры являлись CISC-процессорами, однако новые процессоры, начиная с Intel Pentium Pro, являются CISC-процессорами с RISC-ядром. Они непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструкции процессоров x86 в более простой набор внутренних инструкций RISC.

В микропроцессор встраивается аппаратный транслятор, превращающий команды x86 в команды внутреннего RISC-процессора. При этом одна команда x86 может порождать несколько RISC-команд (в случае процессоров типа P6 — до четырёх RISC-команд в большинстве случаев). Исполнение команд происходит на суперскалярном конвейере одновременно по несколько штук.

Это потребовалось для увеличения скорости обработки CISC-команд, так как известно, что любой CISC-процессор уступает RISC-процессорам по количеству выполняемых операций в секунду. В итоге, такой подход и позволил поднять производительность CPU.

Процессоры RISC с сокращенным набором команд

RISC (Reduced Instruction Set Computer) — процессоры с сокращенным набором инструкций.

Архитектура RISC характеризуется:

1. Фиксированной длиной инструкций;
2. Небольшим набором стандартизированных инструкций;
3. Большим количеством регистров общего назначения;
4. Отсутствие микрокода;
5. Меньшим энергопотреблением, по сравнению с CISC-процессорами аналогичной производительности;
6. Более простым внутренним устройством;
7. Меньшим количеством транзисторов, по сравнению с CISC-процессорами аналогичной производительности;
8. Отсутствие сложных специализированных блоков в ядре процессора.

Процессоры MISC c минимальным набором команд

Процессоры VLIW с набором сверхдлинных команд

VLIW (Very long Instruction word) — архитектура процессоров, использующая инструкции большой длины, содержащие сразу несколько операций, объединенных компилятором для параллельной обработки (длина инструкций может достигать 128-256 бит).
Архитектура VLIW является дальнейшим усовершенствованием архитектуры RISC и MISC с углубленным параллелизмом

Память ВМ

Память — важнейший ресурс вычислительной системы, требующий эффективного управления.

Память (на любом этапе развития производства запоминающих устройств)

• Чем меньше время доступа, тем дороже бит.
• Чем выше емкость, тем ниже стоимость бита.
• Чем выше емкость, тем больше время доступа.

Иерархия запоминающих устройств

При перемещение слева направо:

• Снижается стоимость бита;
• Возрастает емкость;
• Возрастает время доступа;
• Снижается частота обращений процессора к памяти.

Взаимосвязь уровней иерархии памяти:

• Попадание (hit)-успешное обращение к более высокому уровню
• Промах(miss)-неуспешное обращение к более высокому уровню.
• Доля попаданий(hit rate)-доля обращений, которые не найдены на более высоком уровне.

Блок — минимальная порция информации, которая может либо извлекаться, либо перемещаться между уровнями.

• Время обращения при попадании (hit time).
• Потери на промах(miss penalty):
• Время доступа(access time)-время обращения к первому слову блока при промахе;
• Время пересылки(transfer time)-дополнительное время для пересылки оставшихся слов блока.

Время доступа связано с задержкой памяти более низкого уровня, в то время как время пересылки связано с полосой пропускания канала между устройствами памяти двух смежных уровней.

Емкость ЗУ: байт, килобайт, мегабайт и тд.

Характеристики ЗУ

Классификация ЗУ

По форме записанной информации:

• Аналоговые ;
• Цифровые.

По устойчивости записи и возможности перезаписи:

• Постоянные ( ПЗУ ), содержание которых не может быть изменено конечным пользователем (например, BIOS ). ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание информации.
• Записываемые ( ППЗУ ), в которые конечный пользователь может записать информацию только один раз (например, CD-R).
• Многократно перезаписываемые ( ПППЗУ ) (например, CD-RW).
• Оперативные ( ОЗУ ) — обеспечивают режим записи, хранения и считывания информации в процессе её обработки. Быстрые, но дорогие ОЗУ ( SRAM ) строят на триггерах , более медленные, но более дешёвые разновидности ОЗУ — динамические ЗУ ( DRAM ) строят на элементах состоящих из ёмкости ( конденсатора ) и полевого транзистора, используемого в качестве ключа разрешения записи-чтения. В обоих видах ЗУ информация исчезает после отключения от источника питания (например, тока).

По энергозависимости:

• Энергонезависимые , записи в которых не стираются при снятии электропитания;
• Э нергозависимые , записи в которых стираются при снятии электропитания;
• С татические , которым для хранения информации достаточно сохранения питающего напряжения;
• Д инамические , в которых информация со временем разрушается (деградирует), и, кроме подачи электропитания, необходимо производить её периодическое восстановление (регенерацию).

По типу доступа:

• С последовательным доступом (например, магнитные ленты).
• С произвольным доступом (RAM; например, оперативная память).
• С прямым доступом (например, жёсткие диски).
• С ассоциативным доступом (специальные устройства, для повышения производительности баз данных).

По геометрическому исполнению:

• Дисковые ( магнитные диски , оптические, магнитооптические);
• Ленточные ( магнитные ленты , перфоленты);
• Барабанные ( магнитные барабаны );
• Карточные ( магнитные карты , перфокарты, флэш-карты, и др.);
• Печатные платы ( карты DRAM , картриджи ).

По физическому принципу:

• Перфорационные (с отверстиями или вырезами)

• С магнитной записью
• Магнитные сердечники (пластины, стержни, кольца, биаксы )

Магнитные диски
Жёсткий магнитный диск
Гибкий магнитный диск
Магнитные ленты
Магнитные карты

CD
DVD
HD-DVD
Blu-ray Disc
Магнитооптические:
CD-MO

• Использующие накопление электростатического заряда в диэлектриках (конденсаторные ЗУ, запоминающие электроннолучевые трубки);
• Использующие эффекты в полупроводниках ( EEPROM , флэш-память )
• Звуковые и ультразвуковые (линии задержки);
• Использующие сверхпроводимость (криогенные элементы);
• Другие.

• По количеству устойчивых (распознаваемых) состояний одного элемента памяти:

Двоичные
Троичные
Десятичные

Последовательный доступ к памяти

Прямой доступ к памяти

Каждая запись имеет уникальный адрес, отражающий ее фи­зическое размещение на носителе информации. Обращение осуществляется как адресный доступ к началу записи, с последующим последовательным досту­пом к определенной единице информации внутри записи. В результате время доступа к определенной позиции является величиной переменной. Такой ре­жим характерен для магнитных дисков.

Произвольный доступ к памяти

Ассоциативный доступ к памяти

Основная память

Это устройство для хранения информации. Она состоит из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ).

Синхронные ЗУ

В синхронных ЗУ процессы чтения и записи выполняются одновременно с тактовыми импульсами контроллера памяти, что снимает неопределённость появления информации на выходе ЗУ

Асинхронные ЗУ

Асинхронный принцип предполагает, что момент начала очередного действия определяется моментом завершения предыдущей операции. Однако контроллер памяти работает синхронно, и цикл чтения начинается только по его запросу. Если память не успевает выдать информацию в такте запроса, то контроллер сможет прочитать её лишь в следующем такте. Это приводит к
задержкам, которых не бывает в синхронных ЗУ благодаря точной синхронизации.

Динамическая память DRAM

DRAM (Dynamic random access memory, Динамическая память с произвольным доступом) — тип энергозависимой полупроводниковой памяти с произвольным доступом; DRAM широко используемая в качестве оперативной памяти современных компьютеров, а также в качестве постоянного хранилища информации в системах, требовательных к задержкам.

Физически DRAM состоит из ячеек, созданных в полупроводниковом материале, в каждой из которых можно хранить определённый объём данных, строку от 1 до 4 бит. Совокупность ячеек такой памяти образуют условный «прямоугольник», состоящий из определённого количества строк и столбцов. Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком. Весь набор ячеек условно делится на несколько областей.

Динамическая память DRAM

• Низкая себестоимость;
• Высокая степень упаковки, позволяющая создавать чипы памяти большого объема.

• Относительно невысокое быстродействие;
• В ысокая латентность(широкая внутренняя шина данных-использование мультиплексора/демультиплексора);
• Регенерация заряда конденсатора, из-за его быстрого самозаряда.

Статическая память SRAM

Статическая память с произвольным доступом (SRAM, static random access memory) — полупроводниковая оперативная память, в которой каждый двоичный разряд хранится в схеме с положительной обратной связью, позволяющей поддерживать состояние без регенерации, необходимой в динамической памяти (DRAM). Тем не менее, сохранять данные без перезаписи SRAM может только пока есть питание, то есть SRAM остается энергозависимым типом памяти. Произвольный доступ (RAM — random access memory) — возможность выбирать для записи/чтения любой из битов

• Высокая скорость работы;
• Н ет необходимости регенерации ячеек.

• Высокая цена;
• Низкая плотность упаковки;
• Небольшой объем;
• Высокое энергопотребление.

КЭШ-память

Компоненты иерархической памяти. Буферизация ЗУ, работающее со скоростью, обеспечивающей функционирование ЦП без режимов запоминания.

• Встроенная в процессор ( on — die )
• Внешняя (on-motherboard)

• Эксклюзивным называется кэш , в котором данные , хранящиеся в кэш — памяти первого уровня , не обязательно должны быть продублированы в кэшах нижележащий уровней
• Инклюзивный называется кэш , в котором любая информация , хранящаяся в кэшах высших уровней , дублируется в кэш — памяти .

Латентность памяти. Тайминги

Величина задержки от поступления до исполнения команды, выражаемая в тактах.

Есть четыре основных показательных тайминга, которые можно увидеть в описаниях модулей оперативной памяти:

— tRCD (time of RAS to CAS Delay), тайминг, непосредственно характеризующий задержку от импульса RAS до импульса CAS;

— tCL (timе of CAS Latency), тайминг, характеризующий задержку после подачи команды о записи (чтении) до импульса CAS;

— tRP (timе of Row Precharge), тайминг, характеризующий задержку после завершения обработки одной строки до перехода к следующей строке;

— tRAS (time of Active to Precharge Delay), тайминг, характеризующий задержку от активации строки до окончания работы с этой строкой (подачи команды Precharge).

Это значение считают одним из основных

Иногда еще указывают Command rate, тайминг, характеризующий задержку от команды по выбору определенного чипа на модуле до команды активации строки.

Принципы обмена данными в ЭВМ

В ЭВМ применяются три режима ввода/вывода: программно-управляемый ВВ (называемый также программным или нефорсированным ВВ), ВВ по прерываниям (форсированный ВВ) и прямой доступ к памяти. Первый из них характеризуется тем, что инициирование и управление ВВ осуществляется программой, выполняемой процессором, а внешние устройства играют сравнительно пассивную роль и сигнализируют только о своем состоянии, в частности, о готовности к операциям ввода/вывода. Во втором режиме ВВ инициируется не процессором, а внешним устройством, генерирующим специальный сигнал прерывания. Реагируя на этот сигнал готовности устройства к передаче данных, процессор передает управление подпрограмме обслуживания устройства, вызвавшего прерывание. Действия, выполняемые этой подпрограммой, определяются пользователем, а непосредственными операциями ВВ управляет процессор. Наконец, в режиме прямого доступа к памяти, который используется, когда пропускной способности процессора недостаточно, действия процессора приостанавливаются, он отключается от системной шины и не участвует в передачах данных между основной памятью и быстродействующим ВУ. Заметим, что во всех вышеуказанных случаях основные действия, выполняемые на системной магистрали ЭВМ, подчиняются двум основным принципам.

Читайте также: Вентиль для бескамерных шин качественный

1. В процессе взаимодействия любых двух устройств ЭВМ одно из них обязательно выполняет активную, управляющую роль и является задатчиком, второе оказывается управляемым, исполнителем. Чаще всего задатчиком является процессор.

2. Другим важным принципом, заложенным в структуру интерфейса, является принцип квитирования (запроса — ответа): каждый управляющий сигнал, посланный задатчиком, подтверждается сигналом исполнителя. При отсутствии ответного сигнала исполнителя в течение заданного интервала времени формируется так называемый тайм-аут, задатчик фиксирует ошибку обмена и прекращает данную операцию.

Внутренние и внешние каналы передачи информации в ВМ

Шины последовательные и параллельные

• Последовательные – одна линия данных, данные передаются по этой линии последовательно (бит за битом)
• Параллельные – содержит несколько линий. Их число – разрядность («ширина») шины, которая определят количество бит, параллельно (одновременно) проходящих через шину.

Основным отличием параллельных шин от последовательных является сам способ передачи данных. Параллельные шины можно рассматривать как совокупность сигнальных линий (можно сказать что просто проводников), объединённых по их назначению (данные, адреса, управление), которые имеют определённые электрические характеристики и протоколы передачи информации. Группы этих сигнальных линий также называются шинами:

— Линии для обмена данными (шина данных);

— Линии для адресации данных (шина адреса);

— Линии для управления данными (шина управления);

Внешние интерфейсные соединения

USB 2.0 — последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств. До 480 Мбит/с.

USB 3.0 — Пропускная способность порта увеличилась до 4,8 Гбит/с. Силой тока увеличилась с 500 мА (USB 2.0) до 900 мА. Кабели обновлённого стандарта физически и функционально совместимы с USB 2.0

PS/2 — порт подключения клавиатуры (фиолетовый) и/или мыши(зеленый). В последнее время редко используется, всвязи с переходом на USB. Есть переходники для подключения USB клавиатуры или мыши в разъем PS/2.

DVI — предназначен для передачи видеоизображения на цифровые устройства отображения, такие как жидкокристаллические мониторы и проекторы. Виды DVI (см. доп. картинки): DVI-A — только аналоговая передача, DVI-I — аналоговая и цифровая передача, DVI-D — только цифровая передача. Видеокарты с DVI-A не поддерживают стандартные мониторы с DVI-D. Не ошибитесь при выборе монитора.

VGA (D-SUB) — стандарт аналоговой передачи видеоизображения, постепенно вытесняется DVI.

HDMI — интерфейс для мультимедиа высокой чёткости, позволяющий передавать цифровые видеоданные высокого разрешения и многоканальные цифровые аудиосигналы.

Jack 3.5 — разъем подключения штекера TRS (Tip, Ring, Sleeve, переводится как Кончик, Кольцо, Гильза;). Распространённый разъём для передачи аудиосигнала.

IEEE1394 — последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами (видеокамеры, внешние жесткие диски и т.п.). eSATA — последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. Используется для внешней реализации интерфейса SATA. Может быть использован для горячего подключения жесткого диска (в BIOS необходим режим AHCI). Встречаются также комбинированный разъем eSATA+USB.

RJ-45 (LAN) — интерфейс для подключения локальной сети (интернет, интранет).

Прерывания аппаратные и программные

Прерывание — сигнал, сообщающий процессору о наступление какого-либо события. При этом выполнение текущей последовательности команд приостанавливается и управление передается обработчику прерываний, который выполняет работу по обработке события и возвращает управление в прерванный код.

Аппаратное прерывание — событие, генерируемое внешним по отношению к процессору устройством.

Программное прерывание — синхронное прерывание, которое может осуществить программы с помощью специальной инструкции. Программные прерывания не являются «истинными» прерываниями. Они возникают при выполнении определенной команды процессора и применяются в том случае, когда необходимо выполнить некоторые привилегированные действия (например обратится к порту компьютера).

Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access – DMA)

Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access, DMA) — режим обмена данными между устройствами компьютера или же между устройством и основной памятью без участия центрального процессора (ЦП). В результате скорость передачи увеличивается, так как данные не пересылаются в ЦП и обратно.

Кроме того, данные пересылаются сразу для многих слов, расположенных по подряд идущим адресам, что позволяет использование т. н. «пакетного» (burst) режима работы шины — 1 цикл адреса и следующие за ним многочисленные циклы данных. Аналогичная оптимизация работы ЦП с памятью крайне затруднена.

Захват шины (bus mastering)

Технология Plug and Play

Класс SIMD

Векторно-конвейерные ВС. Иерархическая структура.

• Конвейерная организация обработки потока команд
• Введение в систему команд набора векторных операций, которые позволяют оперировать с целыми массивами данных
• Основные назначение векторных операций состоит в распараллеливании выполнения операторов цикла.
• Каждая часть конвейера операций называется ступенью конвейера операций
• Общее число ступеней – длина конвейера операций

Конвейерное функциональное устройство

Некоторая совокупность конвейеров операций объединяется в конвейерное функциональное устройство.

Конвейер команд и конвейер операций

Векторно-параллельные ВС

Как и векторно-конвейерные системы, векторно-параллельная вычислительная система обычно имеет иерархическую структуру. На нижнем уровне иерархии находятся векторно-параллельные процессоры, представляющие собой совокупность скалярных процессоров (процессорных элементов), которые объединены некоторой коммуникационной сетью и в каждом такте синхронно выполняют одну и ту же команду над разными данными. На верхнем уровне иерархии векторно-параллельные процессоры объединяются общей памятью или коммуникационной сетью, образуя NUMA-систему либо MPP систему.

Векторно-параллельные процессоры имеют в своих системах команд специальные векторные (матричные) операции, такие, как векторное и матричное сложение, умножение вектора на матрицу, умножение матрицы на константу, вычисление скалярного произведения, свертки и т.д. При выполнении векторных операций различные компоненты векторов и матриц обрабатываются параллельно на различных процессорных элементах.

Класс МIMD

(ВС имеют несколько процессоров, которые функционируют асинхронно и независимо. В любой момент, различные процессоры могут выполнять различные команды над различными частями данных). Класс MIMD подразделяется на мулькомпьютеры и мультипроцессоры.

Мультикомпьютер

Вычислительная система без общей памяти, состоящая из большого числа взаимосвязанных компьютеров, у каждого из которых имеется собственная память. Процессоры мультикомпьютера отправляют друг другу сообщения (используется сетевая топология двух-, трехмерной решетки или деревья и кольца).

Причина разработки — техническая сложность создания мультипроцессоров.

ВС с распределенной памятью. Мультикомпьютеры

NORMA (No Remote Memory Access) – Архитектура без прямого доступа к удаленной памяти.

Возможность использовать различные топологии при объединении процессорных элементов.

Однородные мультикомпьютеры с распределенной оперативной памятью – системы с массивно-параллельной архитектуры

Состоит из однородных вычислительных узлов, включающих:

• Один или несколько ЦП (обычно RISC)
• Локальный блок ОП (прямой доступ к блокам других узлов невозможен)
• Коммуникационный процессор или сетевой адаптер
• Иногда – жесткие диски и (или) другие устройства ввода/вывода

Мультипроцессоры

NUMA. UMA. NORMA.

ВС с общей памятью. Мультипроцессоры

UMA (Uniform Memory Access) – архитектура с однородным доступом к памяти.
Одновременное обращение нескольких процессоров к общим данным может привести к получению неверных результатов. Поэтому необходимы системы синхронизации параллельных процессов и обеспечение когерентности памяти. Требуется высокая пропускная способность коммуникационной среды, что ограничивает число процессоров несколькими десятками.

SMP – системы
Однородные мультипроцессоры с равноправным (симметричным) доступом к общей оперативной памяти – системы с симметричной мультипроцессорной архитектурой.

Все процессоры SMP-системы имеют симметричный доступ к памяти.

• Равные права всех процессоров на доступ к памяти
• Одна и та же адресация для всех элементов пямяти
• Равное время доступа всех процессоров системы к памяти (без учета взаимных блокировок)

Гибридная архитектура с неоднородным доступом к памяти (Non-Uniform Memory Access или NUMA)

Гибридная архитектура с неоднородным доступом к памяти (Non-Uniform Memory Access или NUMA)

• Системы, в которых для предоставления данных используется только локальная кэш-память процессоров (Cache-only Memory Architecture или COMA)
• Системы, в которых обеспечивается когерентность локальных кэшей разных процессоров (Cache-coherent NUMA или CC-NUMA)
• Системы, в которых обеспечивается общий доступ к локальной памяти разных процессоров без поддержки на аппаратном уровне когерентности кэша (Non-cache Coherent NUMA или NCC-NUMA)

Процессоры на базе архитектуры Nehalem (2008), предназначены для использования в серверном сегменте.
Содержат несколько контроллеров QPI (Quick Path Interconnect), что позволяет им быть связанными между собой напрямую «каждый с каждым» для оптимальной реализации архитектуры NUMA.

NORMA (No Remote Memory Access) – Архитектура без прямого доступа к удаленной памяти.

Кластерные и отказоустойчивые системы

Однородные кластерные системы

Гетерогенные кластерные системы

Узлы вычислительного кластера:

Не полнофункциональные компьютеры

• Абсолютная масштабируемость
• Наращиваемая масштабируемость
• Высокий коэффициент готовности
• Превосходное соотношение цена/производительность

Вычислительные кластеры (HP)

Вычислительные кластеры используется в областях, которые требуют значительной вычислительной мощности.

Отказоустойчивые кластеры (HA)

Выход из строя одного из узлов не приводит к краху системы. В случае сбоя ПО на одном из узлов, приложение продолжает функционировать. Профилактические работы и реконфигурация проводится без необходимости остановки системы.

Принципы построения отказоустойчивых систем:

1. С холодным резервом или активный/пассивный

2. С горячим резервом или активный/активный

3. С модульной избыточностью

Конкретная технология может сочетать данные принципы в любой комбинации

Кластеры с балансировкой нагрузки (Load balancing clusters)

В терминологии компьютерных сетей , балансировка нагрузки, или выравнивание нагрузки ( англ. load balancing ) — метод распределения заданий между несколькими сетевыми устройствами (например, серверами ) с целью оптимизации использования ресурсов, сокращения времени обслуживания запросов, горизонтального масштабирования кластера (динамическое добавление/удаление устройств), а также обеспечения отказоустойчивости ( резервирования ).

Преимущества кластеризации

• Абсолютная масштабируемость
• Наращиваемая масштабируемость
• Высокий коэффициент готовности
• Превосходное соотношение цена/производительность

Типы коммуникационных сетей в типовой конфигурации кластера

Типовая конфигурация кластера:

1. Общая локальная сеть – для доступа клиентских систем;
2. Выделенная сеть – для внутрикластерных коммуникаций (Cluster Interconnect, CI);
3. Сеть хранения данных (SAN). — С еть хранения данных . Работает на уровне блоков данных, это могут быть как файлы, так и базы данных. Коллективное использование информации не всегда возможно. Плюсы : возможность использовать блочные методы доступа, низкоуровневый доступ к диску, быстрый доступ к данным, многие приложения работают только с локальными дисками и не поддерживают обмен данными по сети. Минусы: дорого, требуется специальное ПО.

Топологии кластеров (кластерных пар)

1) Топология кластерных пар

Применяется для 2-х и 4-х узловых кластеров. Узлы соединены попарно. Дисковые массивы подключены к общим узлам пары и каждый из узлов имеет доступ ко всем дискам. Один из узлов кластерной пары является резервным для другого. 4-х узловая кластеризация представляет собой простое расширение 2-х узловой. Обе кластерные пары рассматриваются как единое целое в плане администрирования и управления. Отказоустойчивость такой топологии создается внутри отдельной пары поскольку устр-во каждой пары узлов не имеет физической связи с другими кластерными парами.

2) Топология кластера по схеме N+1

Используется для 2,3,4-х узлов. Каждый дисковый массив в кластере подключается к двум узлам, один из который общий для всех дисков, т.е. число дисков меньше числа узлов на единицу. Дисковые массивы организуются по схеме Raid1. Узел подключенный ко всем дискам служит в качестве резервного и обеспечивает высокую готовность в паре с любым узлом.

3) Топологи по схеме N x N

Используется для 2,3,4-х узлов кластеров, но в отличие от 2-ой топологии обладает большей гибкостью и лучшей возможностью масштабирования. Здесь все узлы кластера имеют доступ ко все дискам. Строится по схеме Raid1. Масштабируемость проявляется в возможности добавления как новых узлов так и дисковых массивов без изменения соединений в существующей схеме. Такой подход позволяет организовать каскадную схему отказоустойчивости, при которой функции отказавшего узла переносятся на резервный и т.д. пока не останется последний.

4) Топология с полностью разделенным доступом

Используется весьма редко при работе с приложениями, для которых характерна архитектура с полностью разделением доступа к данным. Каждый дисковый массив связан только с одним своим узлом.

Центры обработки данных (ЦОД)

Назначение ЦОД — обеспечение гарантированной безотказной работы информационной системы предприятия с заданными уровнями доступности, надежности, безопасности и управляемости. Использование технологии создания центров обработки данных позволяет создавать резервные штаб-квартиры предприятий с сохранением максимально возможной функциональности информационной системы при чрезвычайных обстоятельствах.

Центры обработки данных включают:

• Высоконадежное серверное оборудование,
• С истемы хранения и передачи данных,
• П рограммное обеспечение,
• А рхитектурно-технические решения,
• О беспечивающую инженерную инфраструктуру,
• Ф изическую защиту помещений,
• К омплекс организационных мероприятий,
• С истему мониторинга и управления.

Преимущества создания ЦОД:

1. Повышение эффективности и надежности эксплуатации вычислительных ресурсов,
2. Предоставление отказоустойчивых инфраструктурных сервисов в режиме 24 часа х 7 дней в неделю х 365 дней в году,
3. Простое и прозрачное централизованное администрирование,
4. С нижение издержек на предоставление инженерных коммуникаций,
5. Высокий уровень защиты информационной системы,
6. Централизованное управление и учет ресурсов ЦОД,
7. Контроль доступа к ЦОД,
8. Простое и удобное масштабирование вычислительных ресурсов.

В рамках решения обеспечивается комплексная безопасность центров обработки данных, которая включает защиту от следующих угроз:

1. Отказ оборудования и программного обеспечения,
2. Сбои энергопитания,
3. Пожар и задымление,
4. Несанкционированный доступ, взлом, кражи,
5. Вирусы,
6. Затопление, резкие температурные изменения, пыль,
7. Ч астичное разрушение здания,
8. Электромагнитные излучения.

· Ресурсные серверы, или серверы информационных ресурсов, отвечающих за сохранение и предоставление данных серверам приложений, например, файл-серверы

· Серверы приложений выполняют обработку данных в соответствии с бизнес-логикой системы

· Серверы предоставления информации осуществляют интерфейс между пользователем и серверами приложений, например, web -серверы

· Служебные серверы обеспечивают работу других подсистем ЦОД, например, серверы управления системой резервного копирования

Требования к серверам ЦОД:

Сервера лезвийной архитектуры

Сервера лезвийной архитектуры (Blade)

Набирающие популярность Blade-серверы — это серверы XXI века (их первые модели были разработаны в 2001 г.),преимущества которых изготовители описывают с помощью правила «1234». Оно звучит так: по сравнению с обычными серверами при сравнимой производительности Blade-серверы занимают в два раза меньше места, потребляют в три раза меньше энергии и обходятся в четыре раза дешевле.

Аналитическая компания называет лезвием (Blade-сервером) модульную одноплатную

компьютерную систему, включающую процессор и память. Лезвия вставляются в специальное шасси (или полку) с объединительной панелью (backplane), обеспечивающей им подключение к сети и подачу электропитания. Это шасси с лезвиями, по мнению IDC, является Blade-системой.

1.Всё расположено в одном корпусе-шасси.

2.Система мониторинга и управления обладает расширенными функциями по сравнению с RACK-серверами.

3.Наличие нескольких типов сетей в каждом сервере-лезвии. Это могут быть: Ethernet (100Mb/s, 1Gb/s, 10Gb/s), FibreChannel (2Gb/s, 4Gb/s, 8Gb/s, 16Gb/s), InfiniBand (SDR, DDR, QDR, FDR).

4.Встроенные элементы охлаждения и электропитания обладают элементами отказоустойчивости.

5.Горячая замена всех сменных компонентов.

6.Возможность организации встроенной дисковой системы хранения данных для всех установленных серверов-лезвий.

7.Плотность размещения в шкафу.

— Высокая цена неполного комплекта. Только при достижении заполнения порядка 70% мы получаем близкие цены с RACK’овыми аналогами.

— Ограничение по расширению конфигураций сервера-лезвия.

— Невозможность отторжения сервера-лезвия как самостоятельной единицы.

— Ограниченность одновременного использования сетевых интерфейсов.

— Невозможность, в ряде случаев, организовать неблокирующуюся сеть между серверами-лезвиями и внешним миром.

— Ограничение в применении компонентов по термопакету (например, нельзя ставить самые топовые процессоры из-за перегрева).

— Проприетарные технологии. Купив у одного производителя оборудование – будешь покупать только у него.

— Повышенные требования к инженерной инфраструктуре (электропитание и охлаждение).

1. Необходимо создать модульную вычислительную среду. Большой мощности с большими массивами хранения данных.
2. Есть необходимость часто развертывать новые сервера.
3. Рабочие приложения нуждаются в нескольких серверах.
4. Необходима частая работа с ОС на нескольких серверах
5. Нет нужды в больших объемах внутрисерверного хранилища данных
6. Необходимо сэкономить место в серверной комнате.
7. Деятельность компании связана с кластерами, GRID или другими вычислениями
8. Имеется распределенная инфраструктура
9. Необходимость использования серверов с горячей заменой
10. Необходимость уменьшить расходы, связанные с лицензионным ПО и патентованным оборудованием
11. Необходима гибкая IT среда

СХД. Топологии СХД (DAS. NAS. SAN.)

Система хранения данных (СХД)
Это комплексное программно-аппаратное решение по организации надежного хранения информационных ресурсов и предоставления гарантированного доступа к ним.

• Устройства хранения (дисковые массивы, ленточные библиотеки)
• Инфраструктуру доступа к устройствам хранения
• Подсистему резервного копирования и архивирования данных
• ПО управления хранением
• Систему управления и мониторинга

• DAS (Direct Attached Storage) – прямое подключение
• NAS (Network Attached Storage) – хранилище, подключенное по сети. Это файловый сервер, устройство подключенное в локальную сеть и предоставляющее доступ к своим дискам. NAS работает поверх локальной сети, используя обычное сетевое оборудование. Работает преимущественно с файлами. Позволяет коллективно использовать информацию на дисках.

Плюсы: дешево, доступно, простота коллективного использования ресурсов.

Минусы: невозможно исследовать не файловые методы доступа, доступ через сетевые протоколы медленнее, чем локальный доступ.

• SAN (Storage Area Networks) – сеть хранения данных. Работает на уровне блоков данных, это могут быть как файлы, так и базы данных. Коллективное использование информации не всегда возможно.

Плюсы: возможность использовать блочные методы доступа, низкоуровневый доступ к диску, быстрый доступ к данным, многие приложения работают только с локальными дисками и не поддерживают обмен данными по сети.

Минусы: дорого, требуется специальное ПО.

Дисковые RAID-массивы

RAID — технология виртуализации данных, которая объединяет несколько дисков в логический элемент для избыточности и повышения производительности. Аббревиатура «RAID» изначально расшифровывалась как «redundant array of inexpensive disks» («избыточный (резервный) массив недорогих дисков», так как они были гораздо дешевле дисков SLED (. Именно так был представлен RAID его создателями Петтерсоном (David A. Patterson), Гибсоном (Garth A. Gibson) и Катцом (Randy H. Katz) в 1987 году. Со временем «RAID» стали расшифровывать как «redundant array of independent disks» , потому что для массивов приходилось использовать и дорогое оборудование (под недорогими дисками подразумевались диски для ПЭВМ).

Калифорнийский университет в Беркли представил следующие уровни спецификации RAID, которые были приняты как стандарт де-факто:

· RAID 0 — дисковый массив повышенной производительности с чередованием, без отказоустойчивости;

· RAID 1 — зеркальный дисковый массив;

· RAID 2 — зарезервирован для массивов, которые применяют код Хемминга;

· RAID 3 и 4 — дисковые массивы с чередованием и выделенным диском чётности;

· RAID 5 — дисковый массив с чередованием и «невыделенным диском чётности»;

· RAID 6 — дисковый массив с чередованием, использующий две контрольные суммы, вычисляемые двумя независимыми способами;

· RAID 10 — массив RAID 0, построенный из массивов RAID 1;

· RAID 50 — массив RAID 0, построенный из массивов RAID 5;

· RAID 60 — массив RAID 0, построенный из массивов RAID 6.

Виртуализация программная и аппаратная

Достоинства программной виртуализации:

• Доступность ресурсов для всех ОС
• Удобный интерфейс
• Есть возможность быстро переключаться между ОС
• Легко обновляемые гостевые ОС

Достоинства аппаратной виртуализации:

• Простота разработки
• Защищенность
• Изоляция аппаратных ресурсов
• Гостевая ОС не привязана к архитектуре хост платформы

Виртуальная машина. Хост

Виртуализация – предоставление набора вычислительных ресурсов или их логических объединений, абстрагированных от аппаратной реализации и обеспечивающее при этом логическую изоляцию вычислительных процессов, выполняемых на одном физическом ресурсе.

Виртуальная машина – программная или аппаратная система, эмулирующая аппаратное обеспечение некоторой платформы и исполняющая программы для гостевой платформы.

Хост – физическая машина, на которую установлен гипервизор с работающими виртуальными машинами.

Области применения виртуализации. Достоинства и недостатки

Виртуализируется физический сервер на уровне ОС. Пользователь имеет возможность запускать изолированные и безопасные виртуальные на одном физическом сервере.

Окружение для гостевой ОС инициализируется как аппаратное.

Каждая отдельная часть физического сервера отображается у пользователя как отдельный сервер.

Процесс использования приложения преобразованного из требующего установки в операционную систему в не требующий (требуется только запустить)

Достоинства и недостатки технологии виртуализации

Преимущества использования виртуальных машин:

• · Виртуальная машина работает под управлением гостевых операционных систем и содержит все стандартные компоненты компьютера, а значит виртуальная машина полностью совместима со стандартными операционными системами, программным обеспечением и т.д.;
• · В рамках виртуальной машины можно работать с устаревшими программными решениями и операционными системами;
• · Возможность создать защищенные пользовательские окружения для работы с сетью, в этом случае вирусные атаки могут нанести вред операционной системе, а не виртуальной машине;
• · Несколько виртуальных машин, развернутых на физических ресурсах одного компьютера, изолированы друг от друга, таким образом, сбой одной из виртуальных машин не повлияет на доступность и работоспособность сервисов и приложений других;
• · Поскольку каждая виртуальная машина представляет собой программный контейнер, то она может быть перенесена или скопирована, как и любой иной файл;
• · Виртуальные машины не зависят от аппаратного обеспечения, на котором функционируют в том смысле, что в качестве значений параметров виртуальной машины, таких как оперативная память, процессор и т.п., можно указать значения и типы, отличающиеся от реальной физической конфигурации компьютера;
• · Виртуальные машины идеально подходят для процессов обучения и переподготовки, поскольку позволяют развернуть требуемую платформу вне зависимости от параметров и программного обеспечения хоста (физического компьютера, на котором функционирует виртуальная машина);
• · Возможность сохранения состояния виртуальной машины позволяет быстро вернуться к точке до внесения изменений в систему;
• · В рамках одной гостевой операционной системы может быть развернуто несколько виртуальных машин, объединенных в сеть и взаимодействующих между собой;
• · Виртуальные машины могут создавать представления устройств, которых физически нет (эмуляция устройств).

Недостатки использования виртуальных машин:

• · Обеспечение единовременной работы нескольких виртуальных машин потребует достаточного количества аппаратных мощностей;
• · В зависимости от используемого решения, операционная система виртуальной машины может работать медленнее, чем на «чистом» аналогичном аппаратном обеспечении;
• · Различные платформы виртуализации не поддерживают виртуализацию всего аппаратного обеспечения и интерфейсов.

Гипервизор

Гипервизор также обеспечивает изоляцию ОС друг от друга, защиту и безопасность, разделение ресурсов между различными запущенными ОС и управление ресурсами.

Облачные технологии. Достоинства и недостатки

Облачные вычисления (cloud computing) – информационно-технологическая концепция подразумевающая обеспечение повсеместного и удобного сетевого доступа по требованию к общему пулу конфигурируемых вычислительных ресурсов.

SaaS — конечные пользователи. Программное обеспечение как услуга.

PaaS — разработчики приложений. Платформа как услуга.

IaaS — архитекторы приложений . Инфраструктура как услуга.

Преимущества использования облаков:

• Доступность;
• Мобильность;
• Экономичность;
• Арендность;
• Гибкость;
• Высокая технологичность;
• Надежность;

Недостатки облачных вычислений:

• Зависимость от компании-провайдера;
• Зависимость от качества интернет-соединения;
• Проблемы информационной безопасности;
• Проблемы сохранения промежуточных результатов работы вне облака.

Типы облаков

• Частное облако ( private cloud )— инфраструктура, предназначенная для использования одной организацией, включающей несколько потребителей (например, подразделений одной организации), возможно также клиентами и подрядчиками данной организации. Частное облако может находиться в собственности, управлении и эксплуатации как самой организации, так и третьей стороны (или какой-либо их комбинации), и оно может физически существовать как внутри, так и вне юрисдикции владельца.
• Публичное облако ( public cloud )— инфраструктура, предназначенная для свободного использования широкой публикой. Публичное облако может находиться в собственности, управлении и эксплуатации коммерческих, научных и правительственных организаций (или какой-либо их комбинации). Публичное облако физически существует в юрисдикции владельца— поставщика услуг.
• Общественное облако ( community cloud )— вид инфраструктуры, предназначенный для использования конкретным сообществом потребителей из организаций, имеющих общие задачи (например, миссии, требований безопасности, политики, и соответствия различным требованиям). Общественное облако может находиться в кооперативной (совместной) собственности, управлении и эксплуатации одной или более из организаций сообщества или третьей стороны (или какой-либо их комбинации), и оно может физически существовать как внутри, так и вне юрисдикции владельца.
• Гибридное облако ( hybrid cloud )— это комбинация из двух или более различных облачных инфраструктур (частных, публичных или общественных), остающихся уникальными объектами, но связанных между собой стандартизованными или частными технологиями передачи данных и приложений (например, кратковременное использование ресурсов публичных облаков для балансировки нагрузки между облаками).

Три модели обслуживания облачных вычислений

• Программное обеспечение как услуга(SaaS,Softare-as-a-Service )- модель, в которой потребителю предоставляется возможность использования прикладного программного обеспечения провайдера, работающего в облачной инфраструктуре и доступного из различных клиентских устройств или посредством тонкого клиента , например, из браузера(например, веб-почта) или посредством интерфейса программы. Контроль и управление основной физической и виртуальной инфраструктурой облака, в том числе сети, серверов, операционных систем, хранения, или даже индивидуальных возможностей приложения (за исключением ограниченного набора пользовательских настроек конфигурации приложения) осуществляется облачным провайдером.

• Платформа как услуга(PaaS, Platform-as-a-Service ) — модель, когда потребителю предоставляется возможность использования облачной инфраструктуры для размещения базового программного обеспечения для последующего размещения на нём новых или существующих приложений (собственных, разработанных на заказ или приобретённых тиражируемых приложений). В состав таких платформ входят инструментальные средства создания, тестирования и выполнения прикладного программного обеспечения— системы управления базами данных , связующее программное обеспечение , среды исполнения языков программирования— предоставляемые облачным провайдером. Контроль и управление основной физической и виртуальной инфраструктурой облака, в том числе сети, серверов, операционных систем, хранения осуществляется облачным провайдером, за исключением разработанных или установленных приложений, а также, по возможности, параметров конфигурации среды (платформы).

• Инфраструктура как услуга(IaaS, IaaS or Infrastructure-as-a-Service ) предоставляется как возможность использования облачной инфраструктуры для самостоятельного управления ресурсами обработки, хранения, сетями и другими фундаментальными вычислительными ресурсами, например, потребитель может устанавливать и запускать произвольное программное обеспечение, которое может включать в себя операционные системы , платформенное и прикладное программное обеспечение. Потребитель может контролировать операционные системы, виртуальные системы хранения данных и установленные приложения, а также обладать ограниченным контролем за набором доступных сетевых сервисов (например, межсетевым экраном , DNS ). Контроль и управление основной физической и виртуальной инфраструктурой облака, в том числе сети, серверов, типов используемых операционных систем, систем хранения осуществляется облачным провайдером.

Третья платформа. Перспективы развития ВС и IT-технологий

Почему же обозначенные четыре составляющие (облако, мобильность, соцсети и «большие данные») объединены в одну платформу? Ответ на данный вопрос можно найти на рис. 2, который был приведен в докладе менеджера по исследованиям IDC Александра Прохорова на конференции IDC по управлению контентом в сентябре текущего года. Взаимосвязь указанных технологий можно проследить не только по горизонтали, как это указано на рисунке, но и в любых сочетаниях.

Действительно, пользователи растущего числа мобильных устройств производят всё больше контента, который удобно хранить в облаках. Контент, помещенный в облако, может «раздаваться» владельцам различных мобильных платформ в соответствующих форматах. Количество мобильных устройств непрерывно растет, поэтому потребность в облачном хранилище постоянно увеличивается. По данным IDC, количество смартфонов в 2015 году превысит 1,25 млрд штук, а количество планшетов — 300 млн, опередив количество ноутбуков

Пользователи мобильных устройств все чаще обращаются к социальным сервисам, и именно за счет мобильных устройств повышается активность пользователей в соцсетях. Непрерывная совместная работа в реальном времени генерирует массу важной для корпорации информации. Это и мнения пользователей о бренде, и пожелания усовершенствования продуктов, и указания на недостатки продуктов, и поиск товаров. Вся эта информация нужна корпорациям, а для ее обработки требуются новые, всё более мощные средства анализа — средства анализа больших данных. Но под «большими данными» подразумевают не только системы аналитической обработки, ведь технологии предоставления социальных сетей для миллиардов пользователей — это тоже технологии «больших данных». Facebook, LinkedIn представляют собой сервисы, обеспечивающие высокоскоростную обработку миллиардов учетных записей и ассоциированной с ними информации.

Обмен информацией в социальных сетях позволяет устанавливать неформальные связи с партнерами и привлекать новых. Это приводит к лавинообразному росту информации, причем растущая ее часть оказывается вне зоны внимания организации. Собрать и проанализировать ее — одна из задач технологии Big Data (рис. 4). Технологию «больших данных» обычно представляют как технологию, характеризующуюся тремя «V»: скорость (Velocity), разнообразие (Variety) и объем (Volume). Скорость указывает на необходимость обработки большого объема данных при их быстром поступлении, как, например, при обработке потоковых данных. Вариативность говорит о способности системы обрабатывать большие массивы данных, поступающие из разных источников в различных форматах. Объем свидетельствует о больших объемах данных. Авторы ресурса Watalan.com представляют эволюцию развития концепции «больших данных» и отмечают, что технология Big Data напрямую связана с возникновением облачных технологий (предоставление эластичных ресурсов для обработки и хранения больших объемов данных).

Очевидно, что задачи «больших данных» требуют больших расходов на оборудование и программное обеспечение, а с помощью облачных технологий можно перевести капитальные расходы в операционные и снизить таким образом траты на владение ИТ. Облачные технологии предлагают новый тип услуг — предоставление хранилища и базы данных в рамках одной услуги. Согласно данным Watalon.com, связь технологий Big Data и облачных вычислений можно проследить на различных уровнях

Аналитики IDC подчеркивают, что способность использования технологии «третьей платформы» для современных корпораций будет в существенной мере определять их конкурентоспособность. Следует отметить, что необходимость ориентации на технологии «третьей платформы» для ИТ-вендоров — это неоспоримый факт, причем важность данного процесса трудно оценить абсолютными цифрами и даже темпами роста отдельных направлений. Этот переход следует рассматривать как большое преобразование ИТ-индустрии. Для большинства ИТ-вендоров вопрос об использовании указанных технологий определяет не только возможность увеличить свою прибыль, но и вероятность того, насколько вендор впишется в модель поставки ИТ в ближайшие пять-десять лет и в принципе сохранит ли свое место на рынке.

• Свежие записи
  • Нужно ли менять пружины при замене амортизаторов
  • Скрипят амортизаторы на машине что делать
  • Из чего состоит стойка амортизатора передняя
  • Чем стянуть пружину амортизатора без стяжек
  • Для чего нужны амортизаторы в автомобиле

  
  

  источники:

  https://fasad-adelante.ru/chto-takoe-shina-arhitektura-evm